在19世紀(jì)末期，消費(fèi)類產(chǎn)品包括照明、加熱、電話和電報(bào)等一些簡(jiǎn)單的電路。但是無(wú)線電的發(fā)明和對(duì)于能夠整流和放大信號(hào)的電器元件的需求推動(dòng)了真空管的發(fā)明。

真空管是以如無(wú)線電、電視、通訊設(shè)備的產(chǎn)品和早期計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)的。它們的使用持續(xù)到20世紀(jì)60年代晚期，半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)迎來(lái)了電子學(xué)的新時(shí)代。在單個(gè)集成電路(IC)芯片上包含一個(gè)復(fù)雜的晶體管陣列和其他元件，使可靠性得到了改善，并使功耗、尺寸和質(zhì)量降低，也使得今天的先進(jìn)電子產(chǎn)品成為可能。

集成電路對(duì)人類生活的影響

真空管到集成電路的發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了多個(gè)階段，涉及了從電子管時(shí)代到集成電路時(shí)代的技術(shù)飛躍。以下是真空管發(fā)展成集成電路的主要階段：

真空管時(shí)代（早期至1950s）：早期計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備使用真空管作為主要的電子元件。真空管是一種通過(guò)調(diào)控電子在真空中的流動(dòng)來(lái)放大電信號(hào)的設(shè)備。真空管的使用在20世紀(jì)前半葉十分普遍，但它們存在著體積大、功耗高、壽命短、易損壞等問(wèn)題。

晶體管的發(fā)明（1947年）：晶體管的發(fā)明標(biāo)志著電子管時(shí)代向半導(dǎo)體時(shí)代的過(guò)渡。1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·魯茨和約翰·巴丁發(fā)明了第一只晶體管。晶體管相比真空管具有更小的體積、更低的功耗和更長(zhǎng)的壽命，促使半導(dǎo)體技術(shù)開(kāi)始成為電子器件的主流。

集成電路的概念（1950s-1960s）：1958年，杰克·基爾比（Jack Kilby）和羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）獨(dú)立提出了集成電路的概念。基爾比在德州儀器（Texas Instruments）制造了第一個(gè)實(shí)際的集成電路，它包含了幾個(gè)晶體管和其他元件。

小規(guī)模集成（SSI）和中規(guī)模集成（MSI）（1960s）：1960年代，集成電路技術(shù)開(kāi)始商業(yè)化，進(jìn)入了小規(guī)模集成（SSI）和中規(guī)模集成（MSI）時(shí)代。SSI和MSI集成了數(shù)十到數(shù)百個(gè)晶體管，用于制造邏輯門和簡(jiǎn)單的數(shù)字電路。

大規(guī)模集成（LSI）和微處理器的崛起（1970s）：1970年代初，大規(guī)模集成（LSI）技術(shù)的引入使得芯片上可以容納數(shù)千個(gè)晶體管。1971年，英特爾公司推出了世界上第一款商用微處理器Intel 4004，標(biāo)志著微處理器時(shí)代的開(kāi)始。

超大規(guī)模集成（VLSI）時(shí)代（1980s）：1980年代，超大規(guī)模集成（VLSI）技術(shù)的發(fā)展使得芯片上的晶體管數(shù)量進(jìn)一步增加，達(dá)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)。這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)芯片的性能迅速提高，個(gè)人計(jì)算機(jī)開(kāi)始普及。

深亞微米和三維集成電路（1990s-至今）：1990年代，進(jìn)入深亞微米時(shí)代，制程技術(shù)進(jìn)一步縮小，芯片的性能和集成度得到了提升。21世紀(jì)初，三維集成電路技術(shù)的引入使得芯片在垂直方向上堆疊多個(gè)功能層，進(jìn)一步提高了集成度和性能。

整個(gè)發(fā)展過(guò)程反映了電子技術(shù)從真空管到集成電路的演變，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展。半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新使得電子設(shè)備變得更小、更強(qiáng)大，也促進(jìn)了現(xiàn)代社會(huì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

要理解集成電路，可以從很多角度開(kāi)始，比如制程技術(shù)/應(yīng)用領(lǐng)域/性能指標(biāo)/封裝等，這里從最基本的原子結(jié)構(gòu)開(kāi)始談。

1 原子結(jié)構(gòu)

所有的物質(zhì)，無(wú)論固體、液體還是氣體，都是由周期表中至今發(fā)現(xiàn)的109種元素的一種或幾種組成的。在這些元素中，有91種元素是天然存在的，其余的元素不是人工制造的就是其他元素的副產(chǎn)物。元素是由分子組成的，分子可以分成更小的稱為原子的粒子。每種元素的原子結(jié)構(gòu)是不同的，決定了該元素的性質(zhì)。

材料可以根據(jù)在它上面施加電壓時(shí)導(dǎo)電情況的不同進(jìn)行分類。絕緣體，顧名思義并不導(dǎo)電，而導(dǎo)體可以使很大的電流流過(guò)，流過(guò)的電量取決于所施加的電壓和材料的導(dǎo)電性能。半導(dǎo)體的性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間，可以使有限的電流流過(guò)，電流的大小取決于原子結(jié)構(gòu)、材料的純度和溫度。

原子是由高度密集的質(zhì)子和中子組成的原子核以及圍繞它在一定軌道(或能級(jí))上旋轉(zhuǎn)的荷負(fù)電的電子組成的，這種結(jié)構(gòu)首先是由Neils Bohr于1913年提出的，并隨后得到大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。質(zhì)子荷正電，而中子不帶電，即保持電中性。每個(gè)原子具有同樣數(shù)量的質(zhì)子(+)和電子(-)，而中子的數(shù)目可以改變。

周期表中的每個(gè)元素都有一個(gè)原子序數(shù)，它等于質(zhì)子的數(shù)目，因而也等于在其原子內(nèi)所含有的電子數(shù)目。原子序數(shù)標(biāo)于每個(gè)元素的上部。

圖1 原子結(jié)構(gòu)模型：原子由質(zhì)子和中子以及電子三部分組成，質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核，電子繞原子核運(yùn)行。

一個(gè)原子的實(shí)際質(zhì)量是極小的，這使得對(duì)其的研究變得非常困難。因此，人們專門規(guī)定了一種質(zhì)量單位表示原子的質(zhì)量，它可以表明某種原子相對(duì)于另一種原子的質(zhì)量。這種質(zhì)量單位是根據(jù)原子最密集部分，即原子核內(nèi)質(zhì)子與中子數(shù)的和而規(guī)定的。

荷正電的質(zhì)子對(duì)荷負(fù)電的電子施加了一個(gè)向心力，這個(gè)力由在原子核周圍的軌道里自旋的電子產(chǎn)生的向外的離心力所平衡。這樣，兩個(gè)相反的力為原子提供了平衡的結(jié)構(gòu)。一個(gè)給定的軌道或殼層所能容納的最大電子數(shù)遵循2n2規(guī)律，式中“n”為殼層數(shù)。

如果一個(gè)給定的殼層的電子數(shù)超過(guò)了由2n2規(guī)律給出的最大數(shù)，則多出的電子將被迫進(jìn)入下一個(gè)較高的殼層。如果一個(gè)原子外面的殼層按照2n2規(guī)律被電子全部填滿或在殼層里有8個(gè)電子，則它在化學(xué)上是穩(wěn)定的。在外殼層里的電子被稱為價(jià)電子，如果它的數(shù)量小于8，該原子或是通過(guò)失去得到電子或是與其他原子共享電子而具有與其他原子交互作用的趨勢(shì)。

在周期表中帶有同樣數(shù)量?jī)r(jià)電子的元素具有類似的性質(zhì)并放置在同一族。例如IA族的原子在它的外殼層有1個(gè)電子，而ⅡA族元素在外殼層有2個(gè)電子等。周期表左側(cè)的元素傾向于失去價(jià)電子給其他原子，這樣變成正電性的。周期表右側(cè)的元素傾向于得到其他原子的電子而變成負(fù)電性的。

圖2 前四個(gè)原理能級(jí)的軌道和電子容量

當(dāng)原子彼此靠近時(shí)，它們之間發(fā)生交互作用的類型主要取決于原子本身的性質(zhì)。這種交互作用形成所謂化學(xué)鍵，化學(xué)鍵可以分成離子鍵、共價(jià)鍵、分子鍵、氫鍵或金屬鍵。

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的原子共享彼此的價(jià)電子時(shí)形成了共價(jià)鍵。如果外殼層只被電子部分填滿，則該原子會(huì)受到其他缺少電子的原子吸引，所以共享彼此的價(jià)電子可以導(dǎo)致一個(gè)更為穩(wěn)定的狀態(tài)。作為一個(gè)例子，兩個(gè)氯原子將吸引并共享各自的單個(gè)電子，形成在每個(gè)殼層具有8個(gè)電子的穩(wěn)定的共價(jià)鍵。

2 真空管

現(xiàn)代電子學(xué)可將其根源追溯到稱作電子管的第一種電子器件。盡管今天固態(tài)器件(幾乎)已經(jīng)完全代替了真空管，就其用途來(lái)說(shuō)其基本原理仍變化不大。經(jīng)歷了40多年，直到20世紀(jì)60年代晚期，消費(fèi)類電子產(chǎn)品的最重要部件仍然是電子管。

真空管問(wèn)世于1883年Edison(愛(ài)迪生)發(fā)明白熾燈的時(shí)候，為了改進(jìn)燈泡中紅熱的燈絲過(guò)早燒壞的問(wèn)題，他做了很多試驗(yàn)，其中一項(xiàng)就是將一個(gè)金屬板密封在燈泡中，將金屬板與電池和電流表相連。

Edison觀察到，當(dāng)燈絲變熱且金屬板接在電池的正極時(shí)，電流表指示了在燈絲與金屬板之間的間隙有電流通過(guò)真空流過(guò)。當(dāng)金屬板接在電池的負(fù)極時(shí)，電流停止流動(dòng)。盡管這個(gè)現(xiàn)象很有意義，但它并沒(méi)有改善Edison燈泡的壽命，因此他失去了對(duì)這種試驗(yàn)的興趣，轉(zhuǎn)向證明更能成功改進(jìn)燈泡的其他的研究上。

此后二十多年，Edison真空管試驗(yàn)一直受到科學(xué)界的關(guān)注。在1903年，收音機(jī)已經(jīng)開(kāi)始使用，英格蘭的J.A.Fleming發(fā)現(xiàn)他需要某種東西把交流的無(wú)線電信號(hào)整流成耳機(jī)工作所需要的直流信號(hào)。他把Edison的真空管與接收天線連在一起，真空管像一個(gè)二極管那樣工作。當(dāng)信號(hào)電壓在一個(gè)方向上增加時(shí)，它使得金屬板成為正極，而且信號(hào)能夠通過(guò)；當(dāng)信號(hào)電壓在交流周波的另一個(gè)方向增加時(shí)，會(huì)在金屬板上施加負(fù)電，則信號(hào)停止。

真空管，也叫做電子管，要有一個(gè)電子的來(lái)源才能進(jìn)行工作。在Edison最初的電子管里，電子的來(lái)源是燈絲，稱作陰極。在加熱到紅熱時(shí)，燈絲發(fā)射出的電子朝著帶正電的金屬板進(jìn)入真空，金屬板稱作陽(yáng)極。把陰極加熱從而使電子激活的作用被稱作熱離子效應(yīng)。其他的電子管使用高電壓把電子從冷陰極拉出。

圖3 真空二極管

把光能施加到光敏陰極時(shí)也會(huì)出現(xiàn)電子的發(fā)射。使用這種效應(yīng)的真空管被稱為光電真空管。盡管有各種各樣的方法從陰極去除電子，但熱離子真空管是使用最廣的。陰極或是通過(guò)內(nèi)在的電阻加熱或是使用一個(gè)分離的電源加熱。真空管是由一個(gè)帶有電極引線的玻璃或金屬泡組成，而電極引線通過(guò)玻璃引出并與模鑄在一個(gè)塑料管座內(nèi)的金屬管腳相連接。

當(dāng)電子管含有兩個(gè)電極（陽(yáng)極和陰極）時(shí)，這種電路被稱作二極管。在1906年，美國(guó)發(fā)明家Lee DeForest在陰極和陽(yáng)極之間加入了一個(gè)柵極（一個(gè)精細(xì)的金屬絲網(wǎng)）。第三個(gè)電極的加入使電子管的用途擴(kuò)展到其他的電子學(xué)功能。柵極提供了一種控制電子從陰極到金屬板（陽(yáng)極）流動(dòng)的方法，盡管柵極帶的正電荷或者負(fù)電荷不多，但由于靠近陰極會(huì)對(duì)電子從陰極流向陽(yáng)極產(chǎn)生巨大影響。

圖4 柵極控制電子向三極管極板的流動(dòng)

編織稀疏的柵極可以使大部分電子通過(guò)并落在荷正電更強(qiáng)的陽(yáng)極上。當(dāng)柵極帶負(fù) 電時(shí)，它排斥來(lái)自陰極的電子，使電流的流動(dòng)停止。

因此，在三電極（即陰極、陽(yáng)極、柵極）的情況下可以使用一個(gè)真空管整流 和放大微弱的無(wú)線電信號(hào)。三個(gè)電極的真空管被稱作三極管，更多的電極，例如抑制柵極和簾柵極也可以密封在電子管中，可以擴(kuò)大電子管的功能。

真空管盡管廣泛用于工業(yè)已有半個(gè)多世紀(jì)，但是有很多缺點(diǎn)，包括它們體積大、產(chǎn)生的熱量大、容易燒壞而需要頻繁地更換。固態(tài)器件的進(jìn)展消除了真空管 的缺點(diǎn)，真空管開(kāi)始從許多電子產(chǎn)品的使用中退出。

3 半導(dǎo)體理論

半導(dǎo)體材料具有完全不同于金屬的物理特性。金屬可以在所有溫度下導(dǎo)電，而半導(dǎo)體在某些溫度下導(dǎo)電較好，而在另外一些溫度下導(dǎo)電不好。半導(dǎo)體是共價(jià)的固體，也就是說(shuō)，原子本身形成了共價(jià)鍵。最重要的半導(dǎo)體元素是周期表IVA族的硅和鍺。如果兩種或兩種以上的元素形成共價(jià)鍵也可以形成半導(dǎo)體化合物，例如鎵（IIIA族）和砷（VA族）可以結(jié)合形成砷化鎵。

在IC芯片制造中使用的典型半導(dǎo)體材料如下，元素半導(dǎo)體：硅；鍺；硒。半導(dǎo)體化合物：砷化傢（GaAs）；磷砷化傢（GaAsP）；磷化錮（InP）。

鍺是用來(lái)制造第一個(gè)晶體管和固態(tài)器件的元素半導(dǎo)體。但由于它難以加工和器件性能有限的缺點(diǎn)，目前使用較少。另一種元素半導(dǎo)體是硅，有90%左右的芯片是用它制造的。硅的廣泛使用與其在自然界中資源豐富而且在高溫下仍能保持良好的電性能有關(guān)。此外，硅的氧化物（SiO2）具有很多適于IC制造的理想性能。

砷化鎵屬于化合物半導(dǎo)體。它的某些性能，例如較高的工作頻率（比硅高2?3倍以上）、低的熱耗散、耐輻照以及相鄰元件之間漏電最少，使得砷化鎵成為一種重要的高性能用途的半導(dǎo)體。它的缺點(diǎn)是晶錠生長(zhǎng)和IC制造困難。

一種沒(méi)有受到雜質(zhì)污染的元素半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體被稱作本征半導(dǎo)體。在絕對(duì)零度溫度下，本征半導(dǎo)體形成了穩(wěn)定的共價(jià)鍵，它們的價(jià)電子殼層被電子完全填滿，這些共價(jià)鍵非常強(qiáng)，所以每個(gè)電子都被共用它們的原子強(qiáng)烈地束縛住。這樣，沒(méi)有剩余的自由電子，也不可以導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高到較高溫度時(shí)，價(jià)帶往往受到破壞，釋放出電子。這些自由電子的行為與金屬的自由電子類似，因此，在有外加電場(chǎng)時(shí)可以導(dǎo)電。

如果一種雜質(zhì)例如磷或硼被引入到一種本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)，隨著使用的雜質(zhì)類型不同，半導(dǎo)體的化學(xué)態(tài)將變成具有過(guò)剩電子或缺乏電子的半導(dǎo)體。把少量雜質(zhì)加入到一種本征半導(dǎo)體的工藝稱作摻雜。

以一個(gè)具有共價(jià)鍵的本征硅晶體結(jié)構(gòu)為例。每個(gè)原子周圍有四個(gè)與它共享一對(duì)電子的其他原子，形成了四個(gè)共價(jià)鍵。如果用一種可控?cái)?shù)量的雜質(zhì)（摻雜劑）例如磷（VA族）摻雜到硅的晶體（IVA族）中，新形成的共價(jià)鍵就會(huì)有過(guò)剩的電子。當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體施加電壓時(shí)，這些電子可以自由地從一個(gè)原子運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)原子。被這樣改變的材料稱作n型（n表示負(fù)）半導(dǎo)體；

稱作p型（P表示正）的另一種半導(dǎo)體是用一種IVA族的摻雜劑例如硼摻雜到硅晶體而形成的。所得到的半導(dǎo)體缺少電子,因而在荷正電的原子里形成“空穴”，即電子空位。

單一的半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)能夠用兩種不同類型的雜質(zhì)選擇性摻雜，可以形成P型和n型相鄰的半導(dǎo)體。兩種半導(dǎo)體之間的過(guò)渡區(qū)是P-N結(jié)，是一個(gè)電子與空穴重新結(jié)合的地方。當(dāng)電子進(jìn)入P型區(qū)時(shí)，填充了空穴，原子荷負(fù)電，留下的原子帶有較少的電子和新空穴而荷正電（這一過(guò)程可以看作是空穴的流動(dòng)或荷正電的空位的電流流動(dòng)，它的方向與電子流動(dòng)的方向相反。由于在接觸區(qū)電子和空穴耗盡，故 P-N結(jié)被稱為耗盡區(qū)。在接觸區(qū)兩側(cè)帶有兩種電荷的原子層之間建立起電場(chǎng)，阻止了電子和空穴在這一區(qū)域內(nèi)的進(jìn)一步結(jié)合，形成一個(gè)阻擋層。

圖5 p型/n型半導(dǎo)體結(jié)和帶有耗盡區(qū)的p型/n型半導(dǎo)體結(jié)

4 二極管

當(dāng)在p-n結(jié)兩端放置一個(gè)外加電池時(shí)，電池的正極與半導(dǎo)體的n型一側(cè)相連，負(fù)極與p型一側(cè)相連，則在結(jié)的兩端形成所謂的反向偏置。當(dāng)電子被吸引到電池的正極而空穴被吸引到負(fù)極一側(cè)時(shí)，電子和空穴從結(jié)處跑掉，這樣就增加了耗盡區(qū)并阻止電流的流動(dòng)。

圖6 PN 結(jié)二極管的正向偏壓

如果電池的兩極反接，n型半導(dǎo)體的電子和p型半導(dǎo)體的空穴由于它們各自受到電池的負(fù)電位和正電位的排斥作用，朝著結(jié)的方向運(yùn)動(dòng)。這就減小了結(jié)的阻擋作用，使得電子和空穴可以穿過(guò)結(jié)并復(fù)合在一起。

當(dāng)電子和空穴復(fù)合在一起時(shí), 來(lái)自電池（一）接線端的新電子進(jìn)入到n型區(qū)，取代了穿越到p型區(qū)的電子。類似的，在p型區(qū)的電子受到（+）接線端的吸引，留下了新的空穴，這些空穴被來(lái)自n型區(qū)的電子填充。這種不斷重新結(jié)合的過(guò)程在bn區(qū)兩邊建立了一個(gè)正向電流，它被稱為正向偏置。因而，一個(gè)結(jié)起到了一個(gè)二極管的作用（整流器），即當(dāng)結(jié)上為正向偏壓時(shí)，它可以導(dǎo)通電流；當(dāng)反向偏壓時(shí)，電流則停止。

5 結(jié)型雙極晶體管

把兩個(gè)或兩個(gè)以上的p-n結(jié)組合成一個(gè)器件（p-n-p, n-p-n等），導(dǎo)致了晶體管的出現(xiàn)。晶體管是一種能夠放大信號(hào)或每秒開(kāi)關(guān)電流幾十億次的器件，它的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了電子學(xué)的新紀(jì)元。

從1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室的W. Shockley、J. Bardeen和W. Brattain發(fā)明晶體管以來(lái)，晶體管已經(jīng)發(fā)展了很多的形式。最初的器件使用點(diǎn)接觸穿入鍺半導(dǎo)體本體。隨后的晶體管是用錯(cuò)作為半導(dǎo)體的結(jié)（雙極）型晶體管，鍺這種半導(dǎo)體材料后來(lái)被硅所代替。

為了說(shuō)明雙極晶體管是如何工作的，用n-p-n半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)作為例子。在這種結(jié)構(gòu)中，一個(gè)很薄的輕摻雜的p型區(qū)稱作基區(qū)（B），被夾在兩層較厚的分別稱作發(fā)射區(qū)（E）和集電區(qū)（C）的n型區(qū)之間。它們的引出端分別稱作基極、發(fā)射極和集電極。發(fā)射區(qū)產(chǎn)生電子，集電區(qū)吸收電子，在基極上施加的輸入信號(hào)控制電子從發(fā)射極向集電極的流動(dòng)。

圖7 典型的n-p-n型晶體管

圖8是用作數(shù)字開(kāi)關(guān)的雙極晶體管的典型電路。在發(fā)射極和集電極之間施加電壓Vce，電源的正極（+）通過(guò)一個(gè)負(fù)載電阻R與集電極的引岀端相連。在基極與發(fā)射極引出端之間施加一個(gè)正電壓Vbe>0. 5V，接通晶體管。

由于發(fā)射極-基極結(jié)是正向偏置的，發(fā)射區(qū)內(nèi)的電子將穿過(guò)結(jié)進(jìn)入到基區(qū)，在那里少數(shù)電子將在輕摻雜的基區(qū)與空穴復(fù)合。由于基區(qū)很薄，自由電子緊靠集電極，這些電子受到集電極的正電位作用，穿過(guò)集電極-基極結(jié)并繼續(xù)通過(guò)外電路流動(dòng)。把輸入電壓降低至零，在發(fā)射極-基極結(jié)之間不再維持電子的流動(dòng)，晶體管將截止。

當(dāng)雙極晶體管用作放大器時(shí)，從發(fā)射極流向集電極的電流強(qiáng)度與輸入電壓的強(qiáng)度改變有關(guān)，但電流被放大了，也就是說(shuō)，增加在基極輸入電壓的強(qiáng)度會(huì)成比例地引起更多的電子穿過(guò)發(fā)射極-基極結(jié)，這樣就增加了在發(fā)射極與集電極之間流過(guò)的電流。減小輸入電壓會(huì)使電子降低它們穿過(guò)發(fā)射極-基極結(jié)的速度，從而減小了電流。由于雙極晶體管能夠等同地放大電流和電壓，這種晶體管也可以被認(rèn)為是一種功率放大器。

雙極晶體管的特性在于它的高頻響應(yīng)能力，這等同于有很高的開(kāi)關(guān)速度。但為實(shí)現(xiàn)很高的開(kāi)關(guān)速度，晶體管必須在很高的從發(fā)射極流向集電極的電流下工 作，因此會(huì)增加功率的損耗。

圖8 用作數(shù)字開(kāi)關(guān)的雙極晶體管

6 場(chǎng)效應(yīng)晶體管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）是與雙極晶體管以不同的原理工作的。輸入電壓造成了一個(gè)改變輸出區(qū)電阻的電場(chǎng)，因而控制了電流的流動(dòng)。它的獨(dú)特之處在于具有很高的輸入電阻，這樣就可防止電路中其前級(jí)器件的負(fù)載下降，因?yàn)樨?fù)載的降低會(huì)使它的性能變壞。

FET晶體管的工作原理在雙極晶體管開(kāi)發(fā)前的很長(zhǎng)時(shí)間人們就知道了，但由于制造困難，人們情愿選擇雙極晶體管而放棄FET晶體管。

20世紀(jì)60年代，在解決了早期的制造問(wèn)題后，再次引起了人們對(duì)FET晶體管的興趣。FET晶體管與雙極晶體管類似，也有三個(gè)半導(dǎo)體區(qū)，但由于工作原理不同，F(xiàn)ET的三個(gè)區(qū)被分別稱作源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)（如果我們?cè)俅慰疾靚-p-n結(jié)構(gòu)，源區(qū)和漏區(qū)都是n型半導(dǎo)體，而柵區(qū)是P型半導(dǎo)體），這些區(qū)等同于雙極晶體管的發(fā)射區(qū)、集電區(qū)和基區(qū)。

有兩種類型的FET晶體管：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。

6.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管

在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）中，電子并不穿過(guò)P-N結(jié)，而是從兩個(gè)p型半導(dǎo)體之間形成的所謂n-溝道從源極向漏極流動(dòng)，n-溝道作為晶體管的輸出部分，而柵到源的P-N結(jié)是輸入部分。在晶體管的功能是數(shù)字開(kāi)關(guān)的典型 JFET電路里，在源極（-）和漏極（+）兩端之間通過(guò)一個(gè)負(fù)載電阻Rl施加一個(gè)電源電壓VSD在柵極與源極端之間連接輸入電壓VGS，柵極接負(fù)極性。

在反向偏置輸入電壓時(shí)，電場(chǎng)的作用是在p-n結(jié)周圍形成耗盡區(qū)并以缺少電子為特征。隨著輸入電壓的增加，耗盡區(qū)向溝道的中心穿透較深，限制了源極和漏極之間的電子流動(dòng)。

如果輸入電壓大到足以使耗盡區(qū)全部填滿此溝道，就會(huì)中斷電子的流動(dòng)。把輸入電壓Vgs減小到零，耗盡區(qū)就消失，n-p溝道就完全打開(kāi)，具有非常低的電阻，這樣電流的流動(dòng)速率將處于它的最大值。當(dāng)JFET晶體管用作線性放大器時(shí)，輸入電壓的變化將對(duì)n-溝道內(nèi)電流的流動(dòng)產(chǎn)生等同的影響，并引起源極和漏極端之間輸出電壓的增益。

圖9 當(dāng)p-n結(jié)處于正向偏置時(shí)，JFET的功能相當(dāng)于導(dǎo)通狀態(tài)的開(kāi)關(guān)；當(dāng)p-n結(jié)處于反向偏置時(shí)，JFET的功能相當(dāng)于截止?fàn)顟B(tài)的開(kāi)關(guān)

6.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管

另一類FET晶體管是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。它是以JFET晶體管同樣的原理進(jìn)行工作的，但使用施加在內(nèi)建電容器兩端的輸入電壓來(lái)控制源極到漏極的電子流動(dòng)。

MOSFET 一般由埋置在一個(gè)p型半導(dǎo)體內(nèi)的一個(gè)源區(qū)和漏區(qū)（n 型區(qū)）組成。其柵極端與金屬（鋁）層相連，鋁層用二氧化硅（SiO2）絕緣體與P型半導(dǎo)體隔開(kāi)。這種金屬、二氧化硅（絕緣體）和P型半導(dǎo)體層相結(jié)合形成了一種去耦電容器。柵區(qū)位于源區(qū)與漏區(qū)之間，在柵區(qū)下的第四個(gè)區(qū)稱為襯底。襯底或是與源區(qū)內(nèi)連，或是作為一個(gè)外接端。

圖10 典型的MOSFET （金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的結(jié)構(gòu)

電子從源極向漏極的流動(dòng)是受柵極控制的，而不管柵極具有正電壓還是負(fù)電壓。如果施加到柵上的輸入電壓是正的，自由電子將被從n區(qū)和P區(qū)吸引到在柵區(qū)的二氧化硅層的下側(cè)。在柵下電子的富集形成了兩個(gè)n區(qū)之間的n-勾道，這樣就提供了電流從源極流向漏極的導(dǎo)電通道。在這種情況下，該MOSFET是導(dǎo)通的。如果柵極的輸入電壓是負(fù)的，則在柵極下p 區(qū)內(nèi)的電子被排斥，就不會(huì)形成比溝道。由于在兩個(gè)n區(qū)之間p區(qū)的電阻是無(wú)限大，就不會(huì)有電流流過(guò)，這樣，MOSFET是截止的。上面使用的MOS- FET是n-p-n型的，也可以構(gòu)造p-n-p型的MOSFET，但它的電壓極性將相反。

圖11 MOSFET的功能是處于“導(dǎo)通” 狀態(tài)的開(kāi)關(guān)

6.3 互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管

當(dāng)兩個(gè)MOSFET晶體管（一個(gè)是n-p-n型，另一個(gè)是p-n-p型）連接在一起時(shí)，這種組合結(jié)構(gòu)叫做互補(bǔ)型MOSFET或互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CMOSFET）。CMOSFET晶體管的優(yōu)點(diǎn)是使電路簡(jiǎn)化 （不需要負(fù)載電阻）、很低的功率耗散以及產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)反向的輸岀信號(hào)的能力。例如，正的輸入將有一個(gè)零的輸岀，或一個(gè)零的輸入將產(chǎn)生一個(gè)正的輸出。

圖12 CMOSFET （n-p-n MOSFET 與 p-n-p MOSFET連接形成一個(gè)開(kāi)關(guān)）

CMOSFET（亦稱CMOS晶體管）是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的縮寫，是集成電路中最常見(jiàn)的一種晶體管類型。在集成電路技術(shù)中，CMOSFET被廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路和微處理器。

除了CMOSFET之外，還有一些其他重要的技術(shù)和發(fā)展，比如：

FinFET技術(shù)：FinFET是一種三維晶體管結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)平面的晶體管。

先進(jìn)制程技術(shù)：隨著科技的不斷進(jìn)步，集成電路制造采用了越來(lái)越先進(jìn)的制程技術(shù)。這包括7納米、5納米、3納米等納米級(jí)別的制程。先進(jìn)制程技術(shù)可以提高集成度、降低功耗，并提升性能。

量子點(diǎn)技術(shù)：量子點(diǎn)是一種納米級(jí)別的半導(dǎo)體顆粒，可以用于光電子學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域。在集成電路中，量子點(diǎn)技術(shù)可以應(yīng)用于發(fā)光二極管（LED）和顯示技術(shù)等。

三維集成電路：三維集成電路是一種在垂直方向上堆疊多個(gè)芯片層的技術(shù)。這種方法可以提高集成度，減小電子信號(hào)傳輸?shù)木嚯x，從而提高性能和降低功耗。

光電子集成電路：光電子集成電路是集成了光學(xué)元件的電子電路。這種技術(shù)通過(guò)使用光信號(hào)而非電信號(hào)來(lái)傳輸信息，有望提高傳輸速度和降低功耗。

自旋電子學(xué)：自旋電子學(xué)是一種基于電子自旋而非電子電荷的新型電子學(xué)技術(shù)。這一領(lǐng)域的研究旨在利用自旋來(lái)進(jìn)行信息存儲(chǔ)和處理。

量子計(jì)算：量子計(jì)算是一種基于量子比特的計(jì)算技術(shù)。與傳統(tǒng)的比特（0和1）不同，量子比特（量子位）可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，這使得量子計(jì)算在某些問(wèn)題上具有巨大的潛在優(yōu)勢(shì)。

這些技術(shù)和發(fā)展代表了集成電路領(lǐng)域的前沿研究和創(chuàng)新方向。隨著科技的不斷進(jìn)步，未來(lái)還將涌現(xiàn)出更多的新技術(shù)，推動(dòng)集成電路的發(fā)展。




審核編輯：劉清