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晶体管发展历程回顾

来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自「design-

reuse」，作者：ByPavanHVora,RonakLad(EinfochipsPvt.Ltd.)，

谢谢。

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1958年，德州仪器（TI）使用两个晶体管制造了第一台集成电路

触发器。今天的芯片包含超过百亿个晶体管。曾经可以支持整个公司

会计系统的内存现在变成了一个人们随身携带的智能手机。这种增长

规模是由于晶体管的规模不断扩大以及硅制造工艺的其他改进所致。

在这个发展过程中，除了工艺继续演进以外，晶体管也做了几次变迁。

在即将进入全新一代的晶体管以前，我们来回顾一下前几代晶体管的

发展。

历史真空管的发明推动了电子工业的发展。这些装置将控制真空

中的电子流动。但是，在第二次世界大战之后，据观察，由于大量的

分立组件，这些设备的复杂性和功耗正在显着增加。结果，设备的性

能将持续下降。一个例子是一架波音B-29，它在战争中将由300-

1000个真空管组成。每增加一个组件都会降低其可靠性并增加故障排

除时间。

1947年这取得了重大突破，贝尔实验室的JohnBaden，William

Shockley和WatterBrattain推出了第一个功能点接触锗晶体管。

1950年，肖克利开发了第一个双极结型晶体管（BJT）。与真空管相

比，晶体管更可靠，功率效率更高，尺寸更小。晶体管是一个三端设

备，可以看作是一个电控开关。其中一个终端用作控制端子。理想情

况下，如果将电流施加到控制端子，则该设备将充当两个端子之间的

闭合开关，否则将充当断开开关。1958年，德州仪器（TI）的Jack

Kilby建立了第一个集成电路，该集成电路由连接在一块硅上的两个双

极晶体管组成，从而开启了“硅时代”。早期的IC使用双极结型晶体

管。BJT的缺点之一是由于更多的静态功耗而产生的问题。这意味着即

使电路不切换也要消耗功率。这限制了可以集成到单个硅芯片中的晶

体管的最大数量。

1963年，Fairchild的FrankWanlass和CTSah推出了第一款逻

辑门，其中在互补对称电路配置中使用了n沟道和p沟道晶体管。这

就是今天所谓的CMOS。静态功耗几乎为零。

早期的IC使用NMOS技术，因为与CMOS技术相比，NMOS工

艺相当简单，价格便宜并且可以将更多设备封装到一个芯片中。英特

尔于1971年发布了第一个微处理器。

由于NMOS晶体管的静态功耗要比CMOS高，因此IC的功耗在

1980年代成为一个严重的问题，因为成千上万个晶体管被集成到一个

芯片中。由于具有低功耗，可靠的性能和高速等特性，CMOS技术将

在几乎所有数字应用中采用并取代NMOS和双极性技术。

在接下来的几年里，CMOS的缩放和加工技术的改进推动电路速

度的不断提高，以及芯片封装密度和微电子产品的性能成本比的进一

步提高。

在这里，我们讨论了Bulk-SiCMOS技术，缩放的必要性和重要

性，它们的各种影响以及相关的解决方案。我们还解决了晶体管材料

和先进技术节点中使用的任何新材料的物理缩放限制。如今，由于在

32nm技术节点下遇到的种种局限性，行业转向SOI和FinFET，取代

平面晶体管。