芯片的工作原理基于半导体的特性以及晶体管的开关功能

芯片的工作原理基于半导体的特性以及晶体管的开关功能，以下为你详细介绍：

半导体特性

芯片的主要制作材料是半导体，常见的如硅。纯硅导电能力介于绝缘体和金属之间，被称为半导体。半导体存在两种掺杂类型，即P型和N型。

- P型半导体：靠空穴导电，有大量带正电的空穴，存在少量带负电的电子。

- N型半导体：靠电子导电，电子带负电，其中电子数量占主导。

晶体管的开关功能

晶体管是芯片中最基本的元件之一，常见的有MOS管（金属-氧化物-半导体场效应晶体管），它在芯片中起到电子开关的作用。以N型和P型半导体制成的MOS管为例：

- 在P型硅的基底上制造出两个N型硅区域，分别为Source极（源极）和Drain极（漏极）。

- 在Source、Drain中间区域的上方制造一层二氧化硅，再在二氧化硅上盖一层导体，即GATE极（栅极）。

其工作原理类比水龙头，Source极是电子的源头，电子从源极流向漏极，而中间的P型材料就像阻碍，其中大量带正电的空穴会与电子中和，使电子难以通过。但当在栅极加一个正电时，会吸引P型材料中带负电的电子，形成一个通道，让电子通过。所以源极源源不断提供电子流向漏极，但能否通过取决于栅极，栅极就如同一个阀门或开关，控制着MOS管的打开和关断。

芯片整体工作过程

芯片内部通过一定的工艺，把众多如晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互联，制作在一小块半导体晶片或介质基片上，形成结构紧密联系、内部相关的电子电路。

以计算机中的CPU（中央处理器）芯片为例，当计算机执行一个程序时，CPU会根据程序的指令读取内存中的数据，并通过内部复杂的晶体管电路进行运算和处理。CPU中的晶体管通过改变自身的导电状态（导通或截止）来传递和处理信息。导通时电流可通过，截止时电流被阻断，通过精确控制这些晶体管的通断状态，CPU就能执行各种复杂的运算和操作，实现计算机的各种功能，如算术运算、逻辑判断、数据存储与读取等。

不同类型的芯片可能在具体的电路设计和工作方式上会有所差异，但总体上都是基于半导体特性和晶体管的开关原理来实现对电信号的处理和运算，从而完成特定的功能和任务。

科普：图说芯片技术60多年的发展史（上篇）

防走失，电梯直达安全岛报人刘亚 东A

前言 ：集成电路(芯片)技术自1958年诞生以来，已有63年的发展历史。在今天的信息化社会中，芯片无疑是最重要的基础支撑。近年来，芯片核心技术已成为美国维护科技霸权，围堵打压他国的利器。人们都想知道，芯片技术是如何由开始的原始和不成熟，一步一步发展成为今天高科技皇冠上的技术明珠。本文将以照片和图示为主，以文字为辅，说说芯片技术60多年的发展史。由于篇幅所限，暂定分上、中、下三篇叙述。

要介绍芯片技术发展史，就要从半导体 的发现和研究、电子管 、晶体管 和集成电路 的发明说起。正是因为这些发现、研究和发明，电子技术及电子工业才得以诞生。从此，人类社会拉开了电子信息化的序幕。

1. 半导体发现和研究(1833～1947年,持续114年)

1833 年 ，英国科学家迈克尔.法拉第(Michael Faraday)在测试硫化银(Ag2S)特性时，发现硫化银的电阻随着温度的上升而降低的特异现象，被称为电阻效应 ，这是人类发现的半导体的第一个特征 。

1839 年 ，法国科学家埃德蒙.贝克雷尔(Edmond Becquerel)发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，简称光伏效应 。这是人类发现的半导体的第二个特征 。

1873 年 ，英国的威洛比.史密斯(Willoughby Smith)发现硒(Se)晶体材料在光照下电导增加的光电导效应 ，这是人类发现的半导体的第三个特征 。

1874 年 ，德国物理学家费迪南德.布劳恩(Ferdinand Braun)观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关。在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应 ，这是人类发现的半导体的第四个特征 。同年，出生在德国的英国物理学家亚瑟.舒斯特(Arthur Schuster)又发现了铜(Cu)与氧化铜(CuO)的整流效应。

图1 .发现半导体特性的四位科学家

(法拉第、贝克雷尔、史密斯、布劳恩)

虽然半导体的这四个效应在1880年以前就先后被科学家发现，但半导体 这个名词大概到了1911年才被科尼斯伯格(J.Konigsberger)和维斯(I.Weiss)首次使用。后来，关于半导体的整流理论、能带理论、势垒理论才在众多科学家的努力下逐步完成。

其后二十多年，世界上出现了一些半导体应用案例。例如，1907～1927年美国的物理学家研制成功了晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜(Cu2O)整流器等。1931年，硒光伏电池研制成功。1932年，德国先后研制成功硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)和碲化铅(PbTe)等半导体红外探测器等。

1947 年 ，美国贝尔实验室全面总结了半导体材料的上述四个特性。从1880～1947年长达67年的时间里，由于半导体材料难以提纯到理想的程度，因此半导体材料研究和应用进程非常缓慢。 此后，四价元素锗(Ge)和硅(Si)成为了科学家最为关注和大力研究的半导体材料。而在肖克莱(W.Shockley)发明锗晶体三极管的几年后，人们发现硅更加适合生产晶体管。此后，硅成为应用最广泛的半导体材料，并一直延续至今。这也是美国北加州成为硅工业中心后，被称为“硅谷”的原因。

半导体材料是导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，它们的电阻比导体大得多，但又比绝缘体小得多。其电学性能可以人为加以改变。 常见的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。

2. 电子管的发明(1906年，距今115年)

1904 年 ，英国物理学家约翰.安布罗斯.弗莱明(John Ambrose Fleming)发明了世界上第一个电子管 ，它是一个真空二极管 ，他获得了这项发明的专利。

图2 .弗莱明发明的真空二极管

1906 年 ，美国工程师李.德.福雷斯特(Lee de Forest)在弗莱明真空二极管的基础上又多加入了一个栅极，发明了另一种电子管 ，它是一个真空三极管 ，使得电子管在检波和整流功能之外，还具有了放大和震荡功能。福雷斯特于1908年2月18日拿到了这项发明的专利。

图3 .福雷斯特发明的真空三极管

真空三极管被认为是电子工业诞生的起点。它的应用时期长达40多年。 由于电子管具有体积大、耗电多、可靠性差的缺点，最终它被后来者晶体管所取代。

3. 晶体管的发明(1947年，距今74年)

1947 年 ，美国贝尔实验室的巴丁(J.Bardeen)、布拉顿(W. Brattain)、肖克莱(W.Shockley)三人发明了点触型晶体管 ，这是一个NPN锗(Ge)晶体管，他们三人因此项发明获得了1956年诺贝尔物理学奖。

图4 .晶体管发明三人组

图5 .获得1956年诺贝尔物理学奖的三人组

1950 年 ，当蒂尔(G.K.Teal)和利特尔(J.B.Little)研究成功生长大单晶锗的工艺后，威廉姆.肖克莱(W.Shockley)于1950年4月制成第一个双极结型晶体管—PN 结型晶体管 ,这种晶体管实际应用比点触型晶体管广泛得多。今天的晶体管，大部分仍是这种PN结型晶体管。所谓PN结就是P型半导体和N型半导体的结合之处，P型半导体多空穴。N型半导体多电子。

图6 .PN结型晶体管结构示意图(左)晶体管符号(右)

1952 年 ，实用的结场效应晶体管(JunctionField-Effect Transistor，JFET)被制造出来。结场效应晶体管 (JFET)是一种用电场效应来控制电流的晶体管。到了1960年，有人提出用二氧化硅改善双极性晶体管的性能，就此金属-氧化物-半导体(Metal Oxid Semiconductor,MOS)场效应晶体管诞生。艾塔拉(M.Atalla)也被认为是MOS场效应晶体管 (MOSFET)的发明人之一。

MOSFET宣告了在电子技术中的统治地位，并且支撑了当今信息社会的基石——大规模集成电路发展。实际上，场效应晶体管(FET)由朱利叶斯.利林费尔德(JuliusLilienfeld)于1925年和德国物理学家奥斯卡.海尔(Oskar Heil)于1934年分别发明出来，只是一直未能制造出实用的晶体管器件。

图7 .MOSFET的发明贡献者及发明年份

图8 .场效应晶体管(FET)分类及实物图

晶体管从双极型到MOS型，从分立式器件到集成在芯片之中，加上其所用不同的半导体材料，晶体管类型和品种繁多。晶体管主要起到小信号放大、功率放大、电流开关等作用，它是芯片中集成的数量最多的最基本的电路元器件。

图9 .各种晶体管的分类

晶体管发明是微电子技术发展历程中第一个里程碑。 晶体管的发明使人类步入了飞速发展的电子信息时代。到目前为止，它的应用已长达74年之久。

图10 .各种封装形式的分立式晶体管

4. 集成电路(芯片)的发明(1958年，距今63年)

1950 年 ，美国人拉塞尔.奥尔(Russell Ohl)和威廉姆.肖克莱(W.Shockley)发明了离子注入工艺 ，1954年肖克莱申请了这项发明的专利。离子注入 是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速后注入到硅材料中去，实现对硅材料的掺杂，目的是改变硅材料的导电性能。离子注入是最早采用的半导体掺杂方法，它是芯片制造的基本工艺之一。

图11 .简要的离子注入原理示意图

1956 年 ，美国人富勒(C.S.Fuller)发明了扩散工艺 ；扩散是掺杂的另一种方法，它也是芯片制造的基本工艺之一。

图12 . 一种热扩散装置示意图

离子注入 工艺和扩散 工艺是两种掺杂方法。离子注入用于形成较浅的半导体结(Junction)，扩散用于形成较深的半导体结。掺杂就像炒菜中添加调味料，它是对半导体材料的“添油加醋”。少量的其它物质掺进很纯的半导体材料中，使其变得不纯，对于半导体材料来说，其它物质就是杂质，掺入的过程就称为掺杂。掺杂是将一定数量的其它物质掺加到半导体材料中，人为改变半导体材料的电学性能的过程。

图13 .两种半导体掺杂示意图

1958 年 ，美国仙童公司的罗伯特.诺伊斯(Robert Noyce)与美国德仪公司的杰克.基尔比(Jack Kilby)间隔数月分别发明了集成电路 ，开创了世界微电子学的历史。诺伊斯是在基尔比发明的基础上，发明了可商业生产的集成电路，使半导体产业由“发明时代”进入了“商用时代”。

基尔比因为发明集成电路而获得2000年的诺贝尔物理学奖。诺伊斯是仙童半导体公司(1957年成立)和英特尔公司(1968年成立)的创办人之一，他是伟大的科学家，是集成电路史上重要人物。遗憾的是，他之前在肖克莱实验室工作时，发明“负阻二极管”得不到老板支持而终止，后来日本科学家江崎玲于奈(Leo Esaki)在此项发明上获诺贝尔奖；他于1990年逝世，未等到2000年与基尔比分享当年的诺贝尔物理学奖，两次均与科技最高荣誉无缘。但是，他们两人都被誉为是集成电路之父。

图14 .基尔比和诺伊斯与他们发明的芯片

1959 年 ，贝尔实验室的韩裔科学家江大原(Dawon Kahng)和马丁.艾塔拉(MartinM.Atalla)发明了金属氧化物半导体场效应晶体管 （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET ），这是第一个真正的紧凑型MOSFET，也是第一个可以小型化并实际生产的晶体管，它可以大部分代替JFET。MOSFET对电子行业的发展有着深远的影响。

图15 .江大原和艾塔拉发明了MOSFET

5. 光刻工艺是芯片制造的灵魂 (发明距今61年)

1960 年 ，卢尔(H.H.Loor)和克里斯坦森(Christenson)发明了外延工艺 。外延是指在半导体单晶材料上生长一层有一定要求的、与基片晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸生长了一层。

图16 .硅气相外延生长装置原理示意图

1960 年，光刻工艺是首次应用在芯片制造中的吗？ 这是一个重要问题，需要本文重点讨论。我的公众号【芯论语】的另一篇文章“光刻如何一步一步变成了芯片制造的卡脖子技术？”指出，光刻工艺是芯片制造的灵魂技术。 正是光刻工艺的出现，才使得硅器件制造进入到了平面加工技术时代，才有大规模集成电路和微电子学飞速发展的今天。

泛指意义上的光刻技术发明，应该追溯到1822年法国科学家约瑟夫.尼瑟福.尼埃普斯(Joseph Nicephore Niepce)的感光材料试验和刻蚀实验，以及他在1827年制作的d’Amboise主教雕板像复制品。本文所说的光刻工艺特指芯片制造过程中的光刻工艺技术。

芯片制造的光刻工艺到底是什么时候发明的？ 笔者发现网上这方面的文章很少，即使有文章介绍，也都是一笔带过。网上资料主要有两种说法，第一种说法是，1960年 卢尔(H.H.Loor)和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明了光刻工艺[4]。第二种说法是，1970年 斯皮勒(E.Spiller)和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明了光刻工艺[5]。两种说法中光刻发明时间竟相差10年之久。网上也很难查到卢尔、卡斯特兰尼和斯皮勒如何发明光刻工艺，甚至难以查到他们的生平介绍。

笔者更相信1960年应是光刻工艺发明的年份。 因为，如果光刻工艺是1970年才发明，那么1958～1970年这十多年时间里，贝尔实验室、仙童公司、TI、RCA和Intel等先驱公司的半导体产品(双极、FET、MOSFET晶体管)和芯片是很难制造出来的。

笔者也相信仙童公司应该是光刻工艺的发明地 。1958年仙童公司几位创始人从照相机商店购买了三个16毫米镜头，制作了一个步进和重复照相装置，用来制作掩模，并对掩模板、光刻胶进行了改进。1959年，罗伯特.诺伊斯(Robert Noyce)在日记中提出一个技术设想，“既然能用光刻法制造单个晶体管，那为什么不能用光刻法来批量制造晶体管呢？”，“把多种组件放在单一硅片上将能够实现工艺流程中的组件内部连接，这样体积和重量就会减小，价格也会降低”。为此，仙童公司开始将光刻工艺尝试应用于晶体管批量制造。诺伊斯提出了“平面技术”的设想，琼.赫尔尼(Jean Hoerni)就是将这一设想转换为实际可行的“平面处理”技术的那位大牛人[11]。

图17 .赫尔尼及所编写的平面处理工艺技术文档

从光刻机的发展年代来看，上世纪60年代是接触式光刻机、接近式光刻机；70年代是投影式光刻机；80年代是步进式光刻机；再到步进式扫描光刻机，浸入式光刻机和现在的EUV光刻机[16]，可见芯片制造的光刻工艺不可能是1970年才发明出来。

离子注入 、扩散 、外延 、光刻 等工艺技术，加上真空镀膜 技术、氧化 技术和测试封装 技术，构成了硅平面加工技术 的主体，通俗地说是构成了芯片制造的主体。没有光刻技术就没有今天的芯片技术和产业，也就没有我们现在的信息化和智能化社会。

6. 芯片技术不断成熟，沿摩尔定律快速发展

1962 年 ，美国无线电公司(RCA)的史蒂文.霍夫施泰因(Steven Hofstein) 弗雷德里克.海曼(Frederic Heiman)研制出了可批量生产的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，并采用实验性的16个MOS晶体管集成到一个芯片上，这是全球真正意义上的第一个MOS集成电路。

图18 .霍夫施泰因和全球首款MOS集成电路

1963 年 ，仙童公司的弗兰克.万拉斯(Frank M.Wanlass)和华人萨支唐(C.T.Sah)首次提出CMOS电路技术 。他们把N-MOS和P-MOS连接成互补结构，两种极性的MOSFET一关一开，几乎没有静态电流，适合于逻辑电路。1963年6月，万拉斯为CMOS申请了专利，但是几天之后，他就离开了仙童公司。首款CMOS电路芯片是由RCA公司研制。CMOS电路技术为大规模集成电路发展奠定了坚实基础。 今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺制造。

图19 .CMOS反相器电路符号及器件模型

同年，仙童公司26岁的电路设计天才罗伯特.维德拉(Robert Widlar)设计了第一颗集成运算放大器电路μA702。

图20 .仙童公司μA702运算放大器芯片

1964年，Intel公司创始人之一的戈登.摩尔（Gordon Moore）提出著名的摩尔定律 (Moore's Law)，预测芯片技术的未来发展趋势是，当价格不变时，芯片上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍 。后来50多年芯片技术的发展证明了摩尔定律基本上还是准确的。

图21 .摩尔，芯片技术沿摩尔定律发展趋势图

1966 年 ，美国RCA公司研制出CMOS集成电路和第一块50门的门阵列芯片。

1967 年 ，美国应用材料公司（AppliedMaterials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司。2020财年全年营收172亿美元，研发投入达22亿美元，全球拥有24000名员工，拥有14300个专利。业务涵盖半导体、显示器、太阳能、柔性镀膜、自动化软件等。下图是应用材料公司半导体业务部分的综述。

图22 .美国应用材料公司的半导体业务(来源：应用材料公司官网)

1967 年 ，贝尔实验室江大原(DawonKahng)和施敏博士(Simon Sze)共同发明了非挥发存储器 。这是一种浮栅MOSFET，它是可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存(Flash)的基础。

图23 .普通MOSFET与浮栅MOSFET示意图

1968 年 ，IBM公司的罗伯特.登纳德(Robert H.Dennard)发明单晶体管动态随机存取存储器 (DRAM)。发明名称是“一个关于晶体管动态RAM单元的发明”。单晶体管DRAM是一个划时代的发明，它后来成为了计算机内存的标准。Dennard于1997年入选了国家发明家名人堂；2009年获得IEEE荣誉勋章，这是电子电气领域的最高荣誉。

图24 .登纳德与单晶体管DRAM示意图

未完待续。

敬请期待【芯论语】科普：图说芯片技术60多年的发展史(中篇) 。

后记 ： 1947～1968年的20多年是全球芯片技术和电子工业的起步期，这个时期内创新人才辈出，深远影响的发明层出不穷。晶体管、集成电路、以光刻为核心的硅平面加工技术、CMOS电路、非挥发存储器、单管DRAM电路等发明为芯片技术快速发展打下了基础，为芯片技术沿着摩尔定律前行铺平了道路。但是，人类在走上这条康庄大道之前，从半导体的认识和发现到晶体管的发明，在崎岖的道路上已摸索了114年的时间，其中包括痴迷电子管的40多年时间。科技进步不可能一撮而就，它是一个逐步认识、发现和成熟的过程。

参考资料 ：

1.The Story Behind the Invention of FieldEffect Transistors，网站www.circuitstoday.com:http://www.circuitstoday.com/the-story-behind-the-invention-of-field-effect-transistors

2.心仪，MOSFET的发明人－－马丁•阿塔拉（Martin M. "John" Atalla）博士，电子工程世界论坛：http://bbs.eeworld.com.cn/thread-96577-1-1.html，2010.2.24

3.刘亮，PC发展史① 一颗晶体管引发的数字革命，中关村在线：https://power.zol.com.cn/519/5191311_all.html#p5191311，2015.5.14

4.华强旗舰微信公众号，电子元器件发展史，360个人图书馆：http://www.360doc.com/content/17/0405/22/30123241_643177613.shtml，2017.4.5

5.吉林大学，半导体器件物理精品教学第二章，豆丁网：https://www.docin.com/p-2116387652.html，2018.6.28

6.1967年至今，闪存的发展史，存储在线：http://www.dostor.com/p/58538.html，2019.8.9

7.Long_龙1993，掺杂——扩散和离子注入，360个人图书馆：http://www.360doc.com/content/20/0212/13/68538116_891471588.shtml，2020.2.12

8.科技真相，芯片战争-61：一次意外事故造就氧化层掩膜技术,知乎：https://zhuanlan.zhihu.com/p/359789998，2020.3.22

9.头像被屏蔽，晶体管的分类与特征，电子发烧友论坛：https://bbs.elecfans.com/jishu_1948567_1_1.html，2020.6.9

10.脑极体，芯片破壁者（一）：从电子管到晶体管“奇迹”寻踪，凤凰网：https://tech.ifeng.com/c/7xrkgT2K4dg，2020.7.5

11.TMT研究-爱好者，芯片战争-64：从台面工艺到平面工艺，突破量产化瓶颈，雪球网：https://xueqiu.com/9231373161/156639463，2020.8.14

12.亚化，一图读懂半导体集成电路发展史，腾讯网：https://xw.qq.com/amphtml/20200917A0FZSG00，2020.9.17

13.Long_龙1993，为什么芯片上的晶体管越做越小，360个人图书馆：http://www.360doc.com/content/20/1009/21/68538116_939647723.shtml，2020.10.9

14.康师兄，电子时代的起点，美篇：https://www.meipian.cn/3cw3o1d9，2021.1.10

15.图解芯片技术，集成电路发展史上的十大里程碑事件!电子发烧友：http://www.elecfans.com/d/1490110.html，2021.2.1

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