研制历程

1952年，实用的晶体管问世不久，电子行业还盛行电子管之时，一家为石油行业提供地震勘探服务的公司以极其长远的眼光向贝尔实验室买下了专利许可，并斥资数百万美元押注晶体管市场，而它当时的年利润仅有90万，这无疑是一场没有后路的跨界豪赌。它就是如今的半导体巨头——德州仪器。

就在人们还对晶体管抱有迟疑态度时，德州仪器早已建成强大的晶体管生产线。1954年10月，其首款晶体管收音机上市。当时美国普通家庭中的电子管收音机都像餐柜一样庞大，而晶体管收音机则袖珍到足以放进口袋里，这种革命性的差距在社会上引起了巨大轰动，晶体管的优越性从此深入人心。

世界范围内，包括贝尔实验室在内的各大高校和计算机公司纷纷开始研制晶体管计算机，这些计算机被称为第二代电子计算机（电子管计算机是第一代电子计算机）。

与此同时，晶体管本身也在实验室中不断进化。

先是成分上，从锗改换为硅，比起锗晶体管，硅晶体管可以承受更高的温度和电压。而且硅元素极其常见，广泛存在于岩石和沙砾中，如果地壳总重100斤，那么其中28斤都是硅，可谓取之不尽用之不竭。

再是体积上，由于PN结的实现与晶体管的大小无关，晶体管被越做越小。1952年，一位名叫杰弗里·杜默（Geoffrey Dummer）的英国人更是提出了取消导线，将电子元件紧凑在一块板上的想法，集成电路的概念横空出世。但这对制作工艺的要求很高，整个电子界翘首以盼，等了6年多时间，世界上第一块集成电路终于在1958年9月由德州仪器新聘的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）完成。这是一块长11.1mm、宽1.6mm的锗半导体，上面集成了晶体管、电阻和电容等多种元件。在全人类的共同见证下，这项划时代的伟大发明被时间沉淀出不可估量的价值，基尔比因此获得了2000年的诺贝尔物理学奖。

杰克·基尔比肖像及第一块集成电路（图片来自维基百科）

除了德州仪器，还有一家实力雄厚的半导体公司在集成电路的早期发展中扮演着举足轻重的角色，那就是史上大名鼎鼎的仙童半导体公司。这家公司在1959年发明了关键性的平面工艺，随后，它的创始人之一罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在1960年用硅发明了更实用的集成电路。从上图可以看出，基尔比的集成电路并不完善，仍然用到了导线，诺伊斯的集成电路才是真正意义上的现代集成电路。结果是，两家公司在整个60年代都为集成电路的发明专利吵得不可开交，最终法院判定，两者的实现技术不同，基尔比和诺伊斯分别独立发明了集成电路，共享了“集成电路之父”的称号。

说到仙童半导体，这家公司的来历很有意思。当时，肖克利眼看着德州仪器靠自己发明的晶体管赚得盆满钵满，内心很不是滋味，于是在1956年，他回到家乡加州圣克拉拉山谷，创办起自己的公司。他招揽了八位能人（其中一位就是诺伊斯），对攻占市场充满信心。

起初，八位员工对他们的老板十分敬仰，可经过一段时间的相处却发现，这位技术上的巨人却是管理上的矮子，他那专横和偏执的作风令他们忍无可忍。更糟糕的是，在硅材料已经成趋势的大背景下，他仍死守着自己发明的锗半导体。八人终于在1957年选择集体离职，并成立了仙童半导体公司。肖克利痛骂他们是“八个叛徒”，他的发财梦破灭了，只好转卖公司，回归学术，受斯坦福大学之邀当了电气工程专业的教授。

虽然肖克利没能实现自己的宏图伟业，却无意间在圣克拉拉山谷播下了半导体的种子。“八个叛徒”在仙童之后又兵分几路创办了其他公司（比如Intel），这些公司的雇员又很快创办自己的公司（比如AMD）。短短几十年间，这些种子像蒲公英般飘散，繁衍出一片引领世界的茂密森林。这片森林，就是如今的电子王国——硅谷。

MOS管

1959年，就在集成电路和平面工艺相继问世的同时，贝尔实验室仿佛偷看了历史的剧本，正好研制出一种比BJT更适合集成新型晶体管，它的名字很长，叫金属氧化物半导体场效应晶体管（metal–oxide–semiconductor field-effect transistor），简称MOSFET或MOS管。

和BJT一样，MOS管在结构上也分为PNP和NPN两种类型，分别唤作P型MOS管和N型MOS管，简称PMOS和NMOS，两者原理类似，只是极性相反。

下图为N型MOS管，在一大块P型半导体衬底上，嵌着两块N型半导体（P型MOS管则是在N型半导体衬底上嵌入两块P型半导体），它们的表面覆盖着一层绝缘的氧化物（如二氧化硅），氧化物在正对N型半导体的位置被腐蚀出两个孔洞，以金属填充，各引电极曰源极和漏极，两块金属之间的氧化物上另外再镀一块独立的金属，引电极曰栅极。

N型MOS管

结构说清了，MOS管全称中的“金属氧化物半导体”也便有了着落。那么“场效应”又是什么意思呢？这牵涉到它的工作原理。

仔细观察不难发现，N型MOS管的半导体部分本质上就是一个NPN型的三极管，当我们仅将源极和漏极与一个电源相连，它们之间是无法导通的。而此时，如果在栅极上施加一个相对衬底的高电压，那么P中的电子就会朝栅极涌去，在氧化物底部、双N之间堆积，这片区域的空穴被填满，甚至还多了不少自由电子，它本质上不再是P型半导体，而成了N型半导体。尽管只是薄薄的一长条，但也足以连通两侧的N型半导体，这一长条区域叫导电沟道，此处就是N沟道。此时，已经没有P型衬底什么事了，3块N型半导体化身导线，将电路导通。

N型MOS管工作电路

P型MOS的导通则恰恰相反，在栅极上施加一个相对衬底的低电压，N中的电子远离栅极，栅极下方形成一条狭长的P沟道。

P型MOS管工作电路

尽管栅极和衬底之间的电路是不通的，但施于其上的电场效应导致了导电沟道的形成，MOS管全称中的“场效应”也水落石出了。

改变栅极上的电压，可以控制源极与漏极之间的电流大小乃至电路通断，因而MOS管同样可以用于放大器和逻辑电路。同时，比起BJT，MOS管还有着诸多优势：

1. 由于栅极和衬底之间没有电流，能耗更低；
2. 只有一种半导体参与导电^[1]，更稳定，更可靠；
3. 源极和漏极是等效的，可以互换使用，结构更简单，使用更方便；
4. 最重要的是，集成工艺更简单、集成度更高。

MOS管问世后，包括BJT在内的其他晶体管几乎被碾压似的赶出了市场，1960～2018年间，MOS管的全球总产量高达13×10²¹，占所有晶体管产量的99.9%以上。它的集成度有多高？一张256GB的MicroSD卡（长15mm、宽11mm）上包含着一万亿个MOS管，比银河系中的恒星还多得多。

三星公司于2016年推出的256GB MicroSD卡（图片来自https://news.samsung.com/global/wp-content/themes/btr_newsroom/download.php?id=3jp6Z3P2LQZRq3z1F%2F1tBritXa%2B8xRko9OzCnT8j0zI%3D）

摩尔定律

相比分立的电子元件，集成电路有着更小的功耗和更高的稳定性，上面单个元件的平均成本也更低。接下来的历史我们早已身处其中，集成电路的集成度越来越高，计算机的体积和能耗则越来越小，它最终获得了计算以外的能力，以不可思议的影响力改变着一切。

1965年，“八个叛徒”之一，不久后将与诺伊斯联手创立英特尔的戈登·摩尔（Gordon Moore）无意中发现了集成电路的发展进程和时间的指数关系：每过一年，单个集成电路中的元件数量就会翻一番（而元件的平均单价会折一半）。他预言，接下来的十年内，这个规律依然有效。到了1975年，他根据实际情况，将预测修正为每两年翻一番。后来人们统计发现，翻番的周期更接近于18个月。这就是著名的摩尔定律，说不上有多少科学道理，却始终主宰着集成电路的发展轨迹。

下图为1971～2019年间英特尔、AMD、苹果等公司各型微处理器芯片上的晶体管数量散点图，从其大致趋势可见摩尔定律中的“翻番”是一种多么可怕的力量。由于2000年后的数据过于庞大，导致2000年前的数据看起来一直在匍匐前进，其实如果将其局部放大，也同样呈爆炸式的增长趋势。

1971～2019年间各型微处理器芯片上的晶体管数量（1971年，Intel 4004芯片仅集成了2250个晶体管，到2019年，AMD Epyc Rome上的晶体管数量已达到320亿。） 1971～2000年间各型微处理器芯片上的晶体管数量

不过，我们平时在一些资料上看到的有关摩尔定律的曲线往往是线性的，那是因为制图者在纵坐标上做了手脚。通常是取一下对数，数据的指数增长，等同于数量级的匀速增长，毕竟读者在主观上更容易通过线性趋势来判断其和摩尔定律的符合度。以10为底，取晶体管数量的对数，重制，就得到了常见的摩尔定律趋势图。

1971～2019年间各型微处理器芯片集成度数量级

有意思的是，摩尔定律早已从单纯的统计规律和预测手段，演变成芯片行业所默守的产品迭代规则，毕竟谁跟不上这“翻番”的节奏就意味着在市场上落后。为此，各大芯片厂商想方设法不断缩小MOS管的尺寸，我们常在有关报道中听到芯片制程的说法，其实就是指MOS管栅极的长度（也称线宽），栅极越短，导电沟道就越短，源极和漏极的工作效率就越高。如今，这个制程已经从1971年的10微米进化到10纳米以内。这意味着，把上千个MOS管并排在一起，才能赶上头发丝的粗细！绘制1971～2019各型微处理器芯片的纳米制程数量级散点图，发现其也与摩尔定律符合得很好。

1971～2019年间各型微处理器芯片纳米制程数量级

参考文献

• 李彦. IT通史：计算机技术发展与计算机企业商战风云[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.
• Wikipedia. Integrated circuit[EB/OL].
• 华成英, 童诗白. 模拟电子技术基础（第四版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.
• Wikipedia. MOSFET[EB/OL].
• Wikipedia. Moore's law[EB/OL].
• Moore G E . Cramming More Components Onto Integrated Circuits[J]. Proceedings of the IEEE, 1998, 86(1):82-85.
• Wikipedia. Semiconductor device fabrication[EB/OL].
• Wikipedia. Transistor count[EB/OL].

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1. 更准确地说，是只有一种载流子（电子或空穴）参与导电。而BJT的导电过程中，电子和空穴都在运动，这也是其名中“双极”的由来，而MOS管属于单极晶体管。 ↩