场效应管：100周年

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2025年是场效应晶体管（FET）诞生100周年。晶体管于1947年12月由贝尔实验室，更准确地说是贝尔电话实验室（BTL）发明。2022-2023年，我们仍然对晶体管诞生75周年的纪念活动记忆犹新。然而，场效应晶体管诞生100周年意味着它的发明时间早于晶体管。这究竟意味着什么？尽管我知识有限，但我并不了解其中的细节。

在2025年12月6日至10日于美国举行的国际电子器件会议（IEDM）上，台湾阳明交通大学客座教授岩井博于12月9日在午餐会上发表了题为“百年奇迹：从场效应晶体管的诞生到未来展望”的特邀演讲。IEDM是全球规模最大的半导体器件和工艺技术国际会议。在演讲中，他回顾了场效应晶体管从诞生至今的发展历程，并展望了其未来前景。

岩井教授的讲座非常精彩，解答了我所有的问题。我想概述一下FET从创立至今的发展历程，并以此为基础，对岩井教授的讲座内容进行总结。请注意，以下内容包含作者为帮助读者理解而添加的一些内容。

在演讲中，岩井教授将100年（1925-2025）划分为前45年和后55年，并将前45年定义为“循序渐进的时期”，后55年定义为“成功故事的时期”。前后两个时期的主要区别在于，前半段是在一条尚未有人走过的道路上摸索前行，而后半段则以两个对未来具有重大意义的预测为标志：“规模定律（也称丹纳德定律或比例收缩定律）”和“摩尔定律”。

晶体管是“固态”三极真空管

这一切始于1925年，当时德国物理学家尤利乌斯·埃德加·利连菲尔德发明了场效应晶体管（FET）的原理，并获得了多项专利（下文将省略专利名称，岩井先生的专利除外）。利连菲尔德于1882年出生于奥匈帝国的伦贝格市。截至2025年12月，伦贝格已更名为乌克兰西部的利沃夫市。1905年获得柏林大学博士学位后，利连菲尔德开始在莱比锡大学担任终身物理学教授。从1916年到1927年，他研究了极端真空条件下的导电现象，并为X射线真空管的研发做出了贡献。

场效应晶体管（FET）的目的是制造当时无线电报和广播中使用的三极管（真空三极管）的固态版本。三极管是李·德·福雷斯特（Lee De Forest）于1906年发明的“奥迪翁”（Audion，三极管的原型）的改进版，广泛用于放大、发射和接收无线电信号。

它们也被用于非无线系统，例如固定电话系统和电子计算机。然而，真空管存在寿命短、运行不稳定、故障频发和功耗高等问题。因此，人们需要能够替代三极管、四极管（三极管的改进型）甚至五极管的固态放大元件。

MES FET 发明于 1925 年，MOS FET 发明于 1928 年

第一台场效应晶体管（FET，1925年）是金属半导体场效应晶体管（MES）。它的结构中，铝箔栅极与硫化铜（Cu₂S）接触。硫化铜同时作为源极、漏极和沟道。铝箔上的电压微小波动会导致漏极输出电压的显著变化。源极和漏极均为铜（Cu）金属，衬底为玻璃。作为栅极的铝箔从玻璃衬底背面与硫化铜接触。硫化铜（Cu₂S）被认为是p型半导体，空穴电流由栅极电压控制。

三年后（1928年），利连菲尔德又发明了MOS（金属氧化物半导体）场效应晶体管。其栅极绝缘膜为氧化铝薄膜（Al₂O₃）。栅极（背栅）为薄铝膜，源极和漏极为硫化铜（Cu₂S）。除栅极绝缘膜外，其他材料与MES场效应晶体管相同。

尽管场效应晶体管（FET）的概念早已诞生，但制造和验证其工作原理却困难重重。1925年，人们对实现FET所需的半导体物理和技术几乎一无所知。此外，半导体材料的纯度极低也是一个难题。低纯度使得精确测量其特性成为不可能。大量的缺陷和杂质使得通过实验获取材料本身的精确信息变得极其困难。FET的实现，历经了大约35年的时间。

如果没有“真空”的替代品，场效应晶体管就无法实现

此外，FET 存在一个固有的重要问题：在“真空管”中，真空中没有电荷，因此通过真空管的电子束量（电流水平）可以通过栅极电极（相当于 FET 的栅极）的电压轻松控制。

然而，半导体内部含有大量的电荷。即使添加了第三个电极（栅极或栅电极），除非在该电极上施加极高的电压，否则电荷量也无法显著移动。如果施加极高的电压，就会产生短路电流，半导体就会被损坏，甚至在讨论其是否可控之前就已经损坏了。

除非在半导体内部部分地创建极低电荷区域（类似于真空管中的“真空”区域），否则很难利用电场控制电流。即使能够通过提高半导体材料的纯度来制造几乎没有缺陷的晶体，实用的场效应晶体管仍然无法实现。

世界上第一个“实用”晶体管于 1947 年 12 月在贝尔电话实验室研制成功

三极管半导体元件是第一个采用与场效应晶体管（FET）不同工作原理实现的元件。1947年12月，美国贝尔电话实验室的约翰·巴丁和沃尔特·H·布拉顿制造出一种具有三个电极的半导体元件，并验证了其功率放大功能。

这种半导体元件被称为世界上第一个“晶体管”。这种三极管半导体元件，被称为“点接触型晶体管”，有两个肖特基结（均由金电极和n型锗半导体（如下所述）构成，每个结分别对应于发射极和集电极），被归类为“结型晶体管”。

三极管半导体器件研究团队的另一位成员是威廉·肖克利。可惜的是，他当时因公事在贝尔电话实验室，未能参加点接触晶体管实验。仅仅一个月后，1948年1月，肖克利就提出了双极结型晶体管（BJT）的工作原理理论。BJT很快成为早期晶体管的主流。

PN结是由贝尔电话实验室发现的，而肖特基结是由西门子公司发明的

促成双极型晶体管发展的关键研究成果之一是贝尔电话实验室的罗素·舒梅克·奥尔（Russell Shoemaker Ohl）于1939年或1940年发现了pn结。奥尔当时正在研究如何提高硅（Si）半导体的纯度。在一次通过热处理提高硅纯度的实验中，他发现硅在加热炉（坩埚）内会分离成n型层、边界层和p型层，并且杂质会分离成施主（n型层）和受主（p型层）。

在p型和n型半导体交界处，即p-n结附近，来自施主（导电电子）的电子和来自受主的空穴相互吸引并复合，形成一个称为“耗尽层”的薄能垒。耗尽层中不存在电荷。在p-n结附近自然形成了一个“无电荷”区域，相当于真空管中的“真空”。换句话说，通过略微改变施加在p-n结上的电压，可以改变能垒的高度，从而控制电流的大小。

在发现 pn 结之前，点接触晶体管中的肖特基结的概念是由德国的沃尔特·肖特基于 1938 年提出的。肖特基是德国电气设备制造商西门子-哈尔斯克股份公司的研究员，他设计了“肖特基势垒（肖特基结）”理论，用以解释金属和半导体接触时发生的“整流（只允许电流沿一个方向流动）”原理。

肖特基势垒的形成原理如下：当半导体的费米能级高于金属的费米能级（电子存在概率为1/2的能级）时，如果金属和半导体接触，能量差会导致电荷（载流子）从半导体注入到金属。结果，在接触面（结面）的半导体侧形成一个极薄的无电荷区域（耗尽层）和一个称为“肖特基势垒（肖特基结）”的能量势垒。施加方向与肖特基结能量势垒成反比的电压，会阻碍电流流动；反之，施加方向与肖特基结能量势垒成反比的电压，则会促进电流流动（整流）。

双极结型晶体管技术的发展促进了MOS FET的实现

20世纪50年代，双极结型晶体管（BJT）的基本技术取得了显著进步，包括硅（Si）单晶生长技术、杂质掺杂技术、光刻技术、离子注入技术和外延生长技术。这些技术发展后来促成了MOS型场效应晶体管（FET）的开发。

肖克利也从事场效应晶体管的研究

贝尔电话实验室的肖克利因发明双极结型晶体管而声名鹊起，他也是场效应晶体管（FET）的早期研究者之一，早在 1945 年就提出了 FET（固态三极管）的原理。他尝试通过将金属电极（栅电极）靠近薄半导体膜，并在金属电极上施加适当极性（正或负）的电压来控制流过半导体表面的电荷量。

然而，实际制造出的场效应晶体管（FET）却无法像预期那样改变电荷量（电流量）。1946年，他的同事巴丁推测其原因如下：半导体表面形成的能级（表面态）会捕获栅极电极电场产生的电荷。这些表面电荷屏蔽了栅极电极的电场，使其无法影响半导体内部，从而几乎不可能移动电荷。

肖克利随后发明了结型场效应晶体管（JFET），并与他的下属沃尔特·L·布朗共同制造了它。这是一种背栅场效应晶体管，其中n型锗（n-Ge）同时用作源极和漏极，背面则设置了p型锗（p-Ge）区作为栅极。原型于1953年制造完成。对p型栅极施加电压会形成耗尽层和反型层，从而控制电荷量。

二氧化硅薄膜的开发为MOS结构开辟了道路

五年后，即1958年，贝尔电话实验室开发出一项对实现MOS场效应晶体管（MOSFET）至关重要的技术。研究员马丁·阿塔拉发明了一种通过在硅（Si）表面覆盖绝缘薄膜来钝化（稳定）硅表面的技术。这项技术包括一个预处理（清洗）过程，用于清洁硅表面，以及一个热氧化过程，在纯氧气中加热硅表面以使其氧化。

这种热氧化工艺会在硅表面涂覆一层二氧化硅（SiO2）薄膜，该薄膜可用作MOS FET的栅极氧化膜。

1959年，贝尔电话实验室的Dawon Kahng和Martin Atala发明了MOS场效应晶体管（FET），并在1960年的一次学术会议上进行了展示。Kahng和Atala制作的第一个MOS FET原型是硅p沟道型（n型硅衬底、p型漏极扩散层和p型源极扩散层），采用铝（Al）栅极，当然还有二氧化硅（SiO2）栅极绝缘层。他们还制作了一个n沟道型MOS FET原型。

在利连菲尔德于1925年发明场效应晶体管（FET）35年后，MOS FET终于在1960年投入使用。然而，这仍然只是实验室层面的成果或在学术会议上发表，尚未达到工业产品或大规模生产的水平。原型MOS FET的运行不稳定，前景黯淡。

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

（来源：编译自pcwatch）

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