自1947 年首次出現在貝爾實驗室到今天，晶體管給電子行業帶來的變革可能比任何其他組件都要大。晶體管在現代技術的創新中發揮了至關重要的作用。雖然晶體管主要用于模擬電路中的放大和數字電路中的開關，但密集的研究和開發繼續為基于晶體管的新應用打開大門。

由于超大規模集成 (VLSI) 技術，數十億個晶體管可以放置在單個芯片上，用于計算應用。例如，Apple的M1 Ultra SoC由 1140 億個晶體管組成——這是芯片上晶體管數量最多的一次。

早在 20 世紀初，工程師們就使用晶體管來放大電信號。這個用例的第一個實例來自英國電氣工程師John Ambrose Fleming，當時他發明了真空管。然而，真空管面臨許多只有現代晶體管的發明才能解決的缺點。

點接觸晶體管：一顆星星誕生了

第一個公認的晶體管是由貝爾實驗室的研究人員 Walter Brattain 和 John Bardeen 于 1947 年開發的。經過多次嘗試用硅制造放大器后，Bardeen 和 Brattain 決定使用一塊鍺板和兩個金箔來制造點接觸晶體管。當金箔靠近鍺表面時，他們觀察到更多的電子空穴。貝爾研究人員還注意到，通過觸點的電流在金箔的另一個觸點處被進一步提升和放大。

這一發現標志著電子行業以晶體管為主導的新時代的曙光。1952 年，點接觸晶體管在商業用途中廣泛使用，并有助于制造電話系統。

從鍺到硅

為了改進 Bardeen 和 Brattain 的晶體管設計，William Shockley 于 1951 年用鍺制造了結型晶體管。Shockley 的結型晶體管只是三層半導體的三明治。外層比中間層包含更多的電子。肖克利解釋說，這種設計允許電流流過夾在中間的半導體以制造放大器。

雖然點接觸和結型晶體管依賴于鍺，但研究人員很快注意到該組件在 180°F 時發生故障。這是因為當鍺被加熱到非常高的溫度時，它會在晶體管中引入過多的自由電子，從而破壞整個組件。

1951 年貝爾實驗室的商用結型晶體管。

圖片由 Jack Ward、晶體管博物館和計算機歷史提供

這一缺陷促使德州儀器 (TI) 的研究員 Gordon Teal 在 1954 年發明了第一個硅晶體管。Teal 的硅晶體管具有與鍺晶體管相同的工作原理，但它可以承受高溫。硅晶體管是npn結構，通過生長結工藝制造。

MOSFET成就現代

硅晶體管的發展導致更多基于硅的晶體管的發明，例如金屬氧化物半導體晶體管(MOSFET)。第一個 MOSFET由貝爾實驗室研究員 John Atalla 于 1960 年制造。該設計基于 Shockley 的場效應理論。

與三明治結型晶體管不同，MOSFET 具有 n 型或 p 型半導體的溝道。當電壓施加到通道上時，會產生一個電場，它就像一個水龍頭來打開和關閉晶體管中的電流。為了實現高開關速度，制造商通常在制造過程中采用外延分解工藝。該過程還在晶體管中產生高擊穿電壓。

下一代納米晶體管

根據摩爾定律，集成電路 (IC) 中每單位面積的晶體管數量每兩年翻一番。這種對小型化的推動為從微電子到納米電子的下一代晶體管帶來了復雜性。今天，研究人員的目標是將晶體管縮小到納米級。

隨著基于硅的晶體管現在以納米尺寸運行，工程師面臨著與物理空間縮小相關的設計和制造挑戰。例如，一個 100nm 尺寸的 MOSFET 可能會遇到短溝道效應，從而對晶體管的性能產生不利影響。更重要的是，納米尺寸的硅晶體管會經歷高溝道泄漏電流。

2016 年，勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團隊聲稱創造了世界上最小的晶體管，尺寸為 1nm。

為了解決這些限制，研究人員現在正在研究制造晶體管的納米技術材料。最近，研究人員探索了二維超薄單層材料，例如二硫化鉬，以制造比微型硅晶體管更可靠的晶體管。碳納米管和石墨烯也是有希望替代晶體管中硅的材料。

此外，德累斯頓工業大學的一組研究人員最近報道了“世界上第一個”高效有機雙極結晶體管。該團隊使用基于 n 型和 p 型摻雜紅熒烯晶體薄膜的高度有序的薄有機層來開發有機雙極晶體管。這些晶體管可以提高數據處理和傳輸的性能。

編輯：黃飛