場效應管：100周年

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2025年是場效應晶體管（FET）誕生100周年。晶體管于1947年12月由貝爾實驗室，更準確地說是貝爾電話實驗室（BTL）發明。2022-2023年，我們仍然對晶體管誕生75周年的紀念活動記憶猶新。然而，場效應晶體管誕生100周年意味著它的發明時間早于晶體管。這究竟意味著什么？盡管我知識有限，但我并不了解其中的細節。

在2025年12月6日至10日于美國舉行的國際電子器件會議（IEDM）上，臺灣陽明交通大學客座教授巖井博于12月9日在午餐會上發表了題為“百年奇跡：從場效應晶體管的誕生到未來展望”的特邀演講。IEDM是全球規模最大的半導體器件和工藝技術國際會議。在演講中，他回顧了場效應晶體管從誕生至今的發展歷程，并展望了其未來前景。

巖井教授的講座非常精彩，解答了我所有的問題。我想概述一下FET從創立至今的發展歷程，并以此為基礎，對巖井教授的講座內容進行總結。請注意，以下內容包含作者為幫助讀者理解而添加的一些內容。

在演講中，巖井教授將100年（1925-2025）劃分為前45年和后55年，并將前45年定義為“循序漸進的時期”，后55年定義為“成功故事的時期”。前后兩個時期的主要區別在于，前半段是在一條尚未有人走過的道路上摸索前行，而后半段則以兩個對未來具有重大意義的預測為標志：“規模定律（也稱丹納德定律或比例收縮定律）”和“摩爾定律”。

晶體管是“固態”三極真空管

這一切始于1925年，當時德國物理學家尤利烏斯·埃德加·利連菲爾德發明了場效應晶體管（FET）的原理，并獲得了多項專利（下文將省略專利名稱，巖井先生的專利除外）。利連菲爾德于1882年出生于奧匈帝國的倫貝格市。截至2025年12月，倫貝格已更名為烏克蘭西部的利沃夫市。1905年獲得柏林大學博士學位后，利連菲爾德開始在萊比錫大學擔任終身物理學教授。從1916年到1927年，他研究了極端真空條件下的導電現象，并為X射線真空管的研發做出了貢獻。

場效應晶體管（FET）的目的是制造當時無線電報和廣播中使用的三極管（真空三極管）的固態版本。三極管是李·德·福雷斯特（Lee De Forest）于1906年發明的“奧迪翁”（Audion，三極管的原型）的改進版，廣泛用于放大、發射和接收無線電信號。

它們也被用于非無線系統，例如固定電話系統和電子計算機。然而，真空管存在壽命短、運行不穩定、故障頻發和功耗高等問題。因此，人們需要能夠替代三極管、四極管（三極管的改進型）甚至五極管的固態放大元件。

MES FET 發明于 1925 年，MOS FET 發明于 1928 年

第一臺場效應晶體管（FET，1925年）是金屬半導體場效應晶體管（MES）。它的結構中，鋁箔柵極與硫化銅（Cu?S）接觸。硫化銅同時作為源極、漏極和溝道。鋁箔上的電壓微小波動會導致漏極輸出電壓的顯著變化。源極和漏極均為銅（Cu）金屬，襯底為玻璃。作為柵極的鋁箔從玻璃襯底背面與硫化銅接觸。硫化銅（Cu?S）被認為是p型半導體，空穴電流由柵極電壓控制。

三年后（1928年），利連菲爾德又發明了MOS（金屬氧化物半導體）場效應晶體管。其柵極絕緣膜為氧化鋁薄膜（Al?O?）。柵極（背柵）為薄鋁膜，源極和漏極為硫化銅（Cu?S）。除柵極絕緣膜外，其他材料與MES場效應晶體管相同。

盡管場效應晶體管（FET）的概念早已誕生，但制造和驗證其工作原理卻困難重重。1925年，人們對實現FET所需的半導體物理和技術幾乎一無所知。此外，半導體材料的純度極低也是一個難題。低純度使得精確測量其特性成為不可能。大量的缺陷和雜質使得通過實驗獲取材料本身的精確信息變得極其困難。FET的實現，歷經了大約35年的時間。

如果沒有“真空”的替代品，場效應晶體管就無法實現

此外，FET 存在一個固有的重要問題：在“真空管”中，真空中沒有電荷，因此通過真空管的電子束量（電流水平）可以通過柵極電極（相當于 FET 的柵極）的電壓輕松控制。

然而，半導體內部含有大量的電荷。即使添加了第三個電極（柵極或柵電極），除非在該電極上施加極高的電壓，否則電荷量也無法顯著移動。如果施加極高的電壓，就會產生短路電流，半導體就會被損壞，甚至在討論其是否可控之前就已經損壞了。

除非在半導體內部部分地創建極低電荷區域（類似于真空管中的“真空”區域），否則很難利用電場控制電流。即使能夠通過提高半導體材料的純度來制造幾乎沒有缺陷的晶體，實用的場效應晶體管仍然無法實現。

世界上第一個“實用”晶體管于 1947 年 12 月在貝爾電話實驗室研制成功

三極管半導體元件是第一個采用與場效應晶體管（FET）不同工作原理實現的元件。1947年12月，美國貝爾電話實驗室的約翰·巴丁和沃爾特·H·布拉頓制造出一種具有三個電極的半導體元件，并驗證了其功率放大功能。

這種半導體元件被稱為世界上第一個“晶體管”。這種三極管半導體元件，被稱為“點接觸型晶體管”，有兩個肖特基結（均由金電極和n型鍺半導體（如下所述）構成，每個結分別對應于發射極和集電極），被歸類為“結型晶體管”。

三極管半導體器件研究團隊的另一位成員是威廉·肖克利?？上У氖?，他當時因公事在貝爾電話實驗室，未能參加點接觸晶體管實驗。僅僅一個月后，1948年1月，肖克利就提出了雙極結型晶體管（BJT）的工作原理理論。BJT很快成為早期晶體管的主流。

PN結是由貝爾電話實驗室發現的，而肖特基結是由西門子公司發明的

促成雙極型晶體管發展的關鍵研究成果之一是貝爾電話實驗室的羅素·舒梅克·奧爾（Russell Shoemaker Ohl）于1939年或1940年發現了pn結。奧爾當時正在研究如何提高硅（Si）半導體的純度。在一次通過熱處理提高硅純度的實驗中，他發現硅在加熱爐（坩堝）內會分離成n型層、邊界層和p型層，并且雜質會分離成施主（n型層）和受主（p型層）。

在p型和n型半導體交界處，即p-n結附近，來自施主（導電電子）的電子和來自受主的空穴相互吸引并復合，形成一個稱為“耗盡層”的薄能壘。耗盡層中不存在電荷。在p-n結附近自然形成了一個“無電荷”區域，相當于真空管中的“真空”。換句話說，通過略微改變施加在p-n結上的電壓，可以改變能壘的高度，從而控制電流的大小。

在發現 pn 結之前，點接觸晶體管中的肖特基結的概念是由德國的沃爾特·肖特基于 1938 年提出的。肖特基是德國電氣設備制造商西門子-哈爾斯克股份公司的研究員，他設計了“肖特基勢壘（肖特基結）”理論，用以解釋金屬和半導體接觸時發生的“整流（只允許電流沿一個方向流動）”原理。

肖特基勢壘的形成原理如下：當半導體的費米能級高于金屬的費米能級（電子存在概率為1/2的能級）時，如果金屬和半導體接觸，能量差會導致電荷（載流子）從半導體注入到金屬。結果，在接觸面（結面）的半導體側形成一個極薄的無電荷區域（耗盡層）和一個稱為“肖特基勢壘（肖特基結）”的能量勢壘。施加方向與肖特基結能量勢壘成反比的電壓，會阻礙電流流動；反之，施加方向與肖特基結能量勢壘成反比的電壓，則會促進電流流動（整流）。

雙極結型晶體管技術的發展促進了MOS FET的實現

20世紀50年代，雙極結型晶體管（BJT）的基本技術取得了顯著進步，包括硅（Si）單晶生長技術、雜質摻雜技術、光刻技術、離子注入技術和外延生長技術。這些技術發展后來促成了MOS型場效應晶體管（FET）的開發。

肖克利也從事場效應晶體管的研究

貝爾電話實驗室的肖克利因發明雙極結型晶體管而聲名鵲起，他也是場效應晶體管（FET）的早期研究者之一，早在 1945 年就提出了 FET（固態三極管）的原理。他嘗試通過將金屬電極（柵電極）靠近薄半導體膜，并在金屬電極上施加適當極性（正或負）的電壓來控制流過半導體表面的電荷量。

然而，實際制造出的場效應晶體管（FET）卻無法像預期那樣改變電荷量（電流量）。1946年，他的同事巴丁推測其原因如下：半導體表面形成的能級（表面態）會捕獲柵極電極電場產生的電荷。這些表面電荷屏蔽了柵極電極的電場，使其無法影響半導體內部，從而幾乎不可能移動電荷。

肖克利隨后發明了結型場效應晶體管（JFET），并與他的下屬沃爾特·L·布朗共同制造了它。這是一種背柵場效應晶體管，其中n型鍺（n-Ge）同時用作源極和漏極，背面則設置了p型鍺（p-Ge）區作為柵極。原型于1953年制造完成。對p型柵極施加電壓會形成耗盡層和反型層，從而控制電荷量。

二氧化硅薄膜的開發為MOS結構開辟了道路

五年后，即1958年，貝爾電話實驗室開發出一項對實現MOS場效應晶體管（MOSFET）至關重要的技術。研究員馬丁·阿塔拉發明了一種通過在硅（Si）表面覆蓋絕緣薄膜來鈍化（穩定）硅表面的技術。這項技術包括一個預處理（清洗）過程，用于清潔硅表面，以及一個熱氧化過程，在純氧氣中加熱硅表面以使其氧化。

這種熱氧化工藝會在硅表面涂覆一層二氧化硅（SiO2）薄膜，該薄膜可用作MOS FET的柵極氧化膜。

1959年，貝爾電話實驗室的Dawon Kahng和Martin Atala發明了MOS場效應晶體管（FET），并在1960年的一次學術會議上進行了展示。Kahng和Atala制作的第一個MOS FET原型是硅p溝道型（n型硅襯底、p型漏極擴散層和p型源極擴散層），采用鋁（Al）柵極，當然還有二氧化硅（SiO2）柵極絕緣層。他們還制作了一個n溝道型MOS FET原型。

在利連菲爾德于1925年發明場效應晶體管（FET）35年后，MOS FET終于在1960年投入使用。然而，這仍然只是實驗室層面的成果或在學術會議上發表，尚未達到工業產品或大規模生產的水平。原型MOS FET的運行不穩定，前景黯淡。

https://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/semicon/2074620.html

（來源：編譯自pcwatch）

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