半导体芯片，到底是如何工作的？
今天这篇 ，半导我们继续往下讲 ，体芯说说芯片的底何诞生过程——从真空管 、晶体管到集成电路 ，工作从BJT 、半导MOSFET到CMOS ，体芯芯片究竟是底何如何发展起来的 ，又是工作如何工作的 。
真空管（电子管）
爱迪生效应1883年 ，半导著名发明家托马斯·爱迪生（Thomas Edison）在一次实验中 ，体芯观察到一种奇怪现象 。底何
当时 ，服务器租用工作他正在进行灯丝（碳丝）的半导寿命测试 。在灯丝旁边 ，体芯他放置了一根铜丝 ，底何但铜丝并没有接在任何电极上 。也就是说 ，铜丝没有通电 。
碳丝正常通电后 ，开始发光发热。过了一会 ，爱迪生断开电源 。他无意中发现 ，铜丝上竟然也产生了电流 。
爱迪生没有办法解释出现这种现象的原因 ，亿华云但是 ，作为一个精明的“商人” ，他想到的第一件事 ，就是给这个发现申请专利。他还将这种现象 ，命名为“爱迪生效应”。
现在我们知道 ，“爱迪生效应”的本质 ，是热电子发射 。也就是模板下载说，灯丝被加热后，表面的电子变得活跃，“逃”了出去 ，结果被金属铜丝捕获，从而产生了电流 。
爱迪生申请专利之后 ，并没有想到这个效应有什么用途 ，于是将其束之高阁。
1884年 ，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）访问美国，与爱迪生进行会面。爱迪生向弗莱明展示了爱迪生效应 ，给弗莱明留下了深刻的云计算印象。
二极管等到弗莱明真正用到这个效应 ，已经是十几年后的事情了 。
1901年 ，无线电报发明人伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi）启动了横跨大西洋的远程无线电通信实验 。弗莱明加入了这场实验 ，帮助研究如何增强无线信号的接收 。
简单来说 ，就是研究如何在接收端检波信号 、放大信号 ，让信号能够被完美解读 。高防服务器
放大信号大家都懂 ，那什么是检波信号呢？
所谓信号检波 ，其实就是信号筛选 。天线接收到的信号 ，是非常杂乱的 ，什么信号都有 。我们真正需要的信号（指定频率的信号） ，需要从这些杂乱信号中“过滤”出来 ，这就是源码下载检波 。
想要实现检波 ，单向导通性（单向导电）是关键 。
无线电磁波是高频振荡 ，每秒高达几十万次的频率 。无线电磁波产生的感应电流 ，也随着“正 、负 、正 、负”不断变化 ，如果我们用这个电流去驱动耳机 ，一正一负就是零 ，耳机就没办法准确地识别出信号 。
采用单向导电性 ，正弦波的负半周就没有了 ，全部是正的 ，电流方向一致 。把高频过滤掉之后 ，耳机就能够轻松感应出电流的变化 。
去掉负半周 ，电流方向变成一致的 ，容易解读
为了检波信号，弗莱明想到了“爱迪生效应”——是不是可以基于爱迪生效应的电子流动 ，设计一个新型的检波器呢 ？
就这样 ，1904年 ，世界上第一支真空电子二极管，在弗莱明的手下诞生了 。当时 ，这个二极管也叫做“弗莱明阀”。（真空管 ，vacuum tube ，也就是电子管 ，有时候也叫“胆管” 。）
弗莱明发明的二极管
弗莱明的二极管 ，结构其实非常简单 ，就是真空玻璃灯泡里，塞了两个极 ：一个阴极（Cathode） ，加热后可以发射电子（阴极射线）；一个阳极（Anode） ，可以接收电子 。
旁热式二极管
玻璃管里之所以要抽成真空 ，是为了防止发生气体电离 ，对正常的电子流动造成影响 ，破坏特性曲线。（抽成真空 ，还可以有效降低灯丝的氧化损耗 。）
三极管二极管的出现 ，解决了检波和整流需求 ，当时是一个重大突破。但是 ，它还有改进的空间。
1906年 ，美国科学家德·福雷斯特（De Forest Lee）在真空二极电子管里 ，巧妙地加了一个栅板（“栅极”） ，发明了真空三极电子管 。
德·福雷斯特发明的三极管
加了栅极之后 ，当栅极的电压为正 ，它就会吸引更多阴极发出的电子。大部分电子穿过栅极 ，到达阳极 ，将大大增加阳极上的电流 。
如果栅极的电压为负，阴极上的电子就没有动力前往栅极 ，更不会到达阳极 。
栅极上很小的电流变化 ，能引起阳极很大的电流变化 。而且 ，变化波形与栅极电流完全一致 。所以 ，三极管有信号放大的作用 。
一开始的三极管是单栅 ，后来变成了两块板子夹在一起的双栅 ，再后来，干脆变成了整个包起来的围栅 。
围栅
真空三极管的诞生，是电子工业领域的里程碑事件 。
这个小小的元件，真正实现了用电控制电（以往都是用机械开关控制电 ，存在频率低 、寿命短 、易损坏的问题） ，用“小电流”控制“大电流” 。
它集检波 、放大和振荡三种功能于一体 ，为电子技术的发展奠定了基础 。
基于它 ，我们才有了性能越来越强的广播电台 、收音机 、留声机 、电影 、电台 、雷达 、无线电对讲等 。这些产品的广泛普及 ，改变了人们的日常生活 ，推动了社会进步 。
真空管
1919年 ，德国的肖特基提出在栅极和正极间加一个帘栅极的想法 。这个想法被英国的朗德在1926年实现 。这就是后来的四极管 。再后来，荷兰的霍尔斯特和泰莱根又发明了五极管 。
20世纪40年代，计算机技术研究进入高潮。人们发现，电子管的单向导通特性，可以用于设计一些逻辑电路（例如与门电路 、或门电路） 。
于是 ，他们开始将电子管引入计算机领域 。那时候 ，包括埃尼阿克（ENIAC ，使用了18000多只电子管）在内的几乎所有电子计算机 ，都是基于电子管制造的 。
埃尼阿克
这里我们简单说说门电路 。
我们学习计算机基础的时候 ，肯定学过基本的逻辑运算 ，例如与 、或 、非 、异或、同或 、与非 、或非等。
计算机只认识0和1 。它进行计算 ，就是基于这些逻辑运算规则 。
例如2+1 ，就是二进制下的0010+0001，做“异或运算” ，等于0011 ，也就是3 。
实现上面这些逻辑门功能的电路 ，就是逻辑门电路 。而单向导电的电子管（真空管） ，可以组建变成各种逻辑门电路。
例如下面的“或门电路”和“与门电路” 。
A 、B为输入 ，F为输出
晶体管
电子管高速发展和应用的同时 ，人们也逐渐发现 ，这款产品存在一些弊端 ：
一方面 ，电子管容易破损，故障率高；另一方面，电子管需要加热使用 ，很多能量都浪费在发热上 ，也带来了极高的功耗。
所以 ，人们开始思考——是否有更好的方式 ，可以实现电路的检波 、整流和信号放大呢 ？
方法当然是有的 。这个时候 ，一种伟大的材料就要登场了 ，它就是——半导体 。
半导体的萌芽我们将时间继续往前拨 ，回到更早的18世纪 。
1782年 ，意大利著名物理学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta） ，经过实验总结 ，发现固体物质大致可以分为三种：
第一种 ，像金银铜铁等这样的金属，极易导电 ，称为导体；
第二种，像木材 、玻璃 、陶瓷、云母等这样的材料 ，不易导电 ，称为绝缘体；
第三种，介于导体和绝缘体之间，会缓慢放电 。
第三种材料的奇葩特性 ，伏特将其命名为“Semiconducting Nature” ，也就是“半导体特性” 。这是人类历史上第一次出现“半导体（semiconductor）”这一称呼。
后来 ，陆续有多位科学家 ，有意或无意中 ，发现了一些半导体特性现象 。例如 ：
1833年 ，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现 ，硫化银在温度升高时 ，电阻反而会降低（半导体的热敏特性） 。
1839年 ，法国科学家亚历山大·贝克勒尔（Alexandre Edmond Becquerel）发现 ，光照可以使某些材料的两端产生电势差（半导体的光伏效应） 。
1873年 ，威勒毕·史密斯（Willoughby Smith）发现 ，在光线的照射下 ，硒材料的电导率会增加（半导体的光电导效应） 。
这些现象 ，当时没有人能够解释 ，也没有引起太多关注 。
1874年 ，德国科学家卡尔·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）发现了天然矿石（金属硫化物）的电流单向导通特性 。这是一个巨大的里程碑 。
1906年 ，美国工程师格林里夫·惠特勒·皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard） ，基于黄铜矿石晶体 ，发明了著名的矿石检波器（crystal detector） ，也被称为“猫胡须检波器”（检波器上有一根探针 ，很像猫的胡须 ，因此得名） 。
矿石检波器
矿石检波器是人类最早的半导体器件 。它的出现 ，是半导体材料的一次“小试牛刀” 。
尽管它存在一些缺陷（品控差 ，工作不稳定 ，因为矿石纯度不高） ，但有力推动了电子技术的发展 。当时，基于矿石检波器的无线电接收机 ，促进了广播和无线电报的普及 。
能带理论的问世人们使用着矿石检波器 ，却始终想不明白它的工作原理 。在此后的30余年里 ，科学家们反复思考——为什么会有半导体材料 ？为什么半导体材料可以实现单向导电 ？
早期的时候 ，很多人甚至怀疑半导体材料是否真的存在。著名物理学家泡利（Pauli）曾经表示 ：“人们不应该研究半导体 ，那是一个肮脏的烂摊子 ，有谁知道是否有半导体的存在 。”
后来 ，随着量子力学的诞生和发展，半导体的理论研究终于有了突破 。
1928年 ，德国物理学家 、量子力学创始人之一 ，马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck） ，在应用量子力学研究金属导电问题中 ，首次提出了固体能带理论 。
他认为 ，在外电场作用下 ，半导体导电分为“空穴”参与的导电（即P型导电）和电子参与的导电（即N型导电） 。半导体的许多奇异特性 ，都是由“空穴”和电子所共同决定的 。
后来 ，能带理论被进一步完善成型 ，系统地解释了导体 、绝缘体和半导体的本质区别 。
我们来简单了解一下能带理论 。
大家在中学物理里学过 ，物体由分子 、原子组成 ，原子的外层是电子 。
固体物体的原子之间 ，靠得比较紧，电子就会混到一起 。量子力学认为，电子没法待在一个轨道上 ，会“撞车” 。于是 ，轨道就硬生生分裂成了好几个细轨道 。
在量子力学里，这种细轨道 ，叫能级 。而多个细轨道挤在一起变成的宽轨道，叫能带 。
在两个能带中，处于下方的是价带 ，上方的是导带 ，中间的是禁带 。价带和导带之间是禁带 。禁带的距离 ，是带隙（能带间隙） 。
电子在宽轨道上移动 ，宏观上就表现为导电。电子太多 ，挤满了 ，动不了，宏观上就表现为不导电 。
有些满轨道和空轨道距离很近 ，电子可以轻松地从满轨道跑到空轨道上 ，发生自由移动，这就是导体。
两条轨道离得太远 ，空隙太大 ，电子跑不过去 ，就没有办法导电 。但是 ，如果从外界加一个能量 ，就能改变这种状态 。
如果带隙在5电子伏特（5ev）之内 ，给电子加一个额外能量 ，电子能完成跨越并自由移动 ，即发生导电。这种属于半导体。（硅的带隙大约是1.12eV ，锗大约是0.67eV 。）
如果带隙超过5电子伏特（5ev） ，正常情况下电子无法跨越 ，就属于绝缘体。（如果外界加很大的能量 ，也可以强行帮助它跨越过去 。例如空气，空气是绝缘体 ，但是高压电也可以击穿空气 ，形成电流。）
值得一提的是 ，我们现在经常听说的“宽禁带半导体”，就是包括碳化硅（SiC） 、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO） 、金刚石 、氮化铝（AlN）等在内的第三代半导体材料 。
它们的优点是禁带宽度大（>2.2ev） 、击穿电场高 、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高 ，可用于高温、高频 、抗辐射及大功率器件 ，是行业目前大力发展的方向 。
前面我们提到了电子和空穴 。半导体中有两种载流子：自由电子和空穴 。自由电子大家比较熟悉 ，什么是空穴呢 ？
空穴又称电洞（Electron hole） 。
常温下，由于热运动，少量在价带顶部的能量大的电子 ，可能越过禁带 ，升迁到导带中 ，成为“自由电子” 。
电子跑了之后 ，留下一个“洞” 。其余未升迁的电子，就可以进入这个“洞” ，由此产生电流 。大家注意 ，空穴本身是不动的 ，但是由空穴“填洞”过程产生了一种正电在流动的效果 ，所以也被视为一种载流子。
1931年 ，英国物理学家查尔斯·威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson）在能带论的基础上 ，提出半导体的物理模型。
1939年 ，苏联物理学家А.С.达维多夫（А.С.Давыдов） 、英国物理学家内维尔·莫特（Nevill Francis Mott）、德国物理学家华特‧肖特基（Walter Hermann Schottky） ，纷纷为半导体基础理论添砖加瓦 。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用 ，而肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论” 。
基于这些大佬们的贡献 ，半导体的基础理论大厦 ，逐渐奠基完成 。
晶体管的诞生矿石检波器诞生之后 ，科学家们发现，这款检波器的性能 ，和矿石纯度有极大的关系 。矿石纯度越高，检波器的性能就越好 。
因此，很多科学家们进行了矿石材料（例如硫化铅 、硫化铜 、氧化铜等）的提纯研究 ，提纯工艺不断精进 。
20世纪30年代 ，贝尔实验室的科学家罗素·奥尔（Russell Shoemaker Ohl）提出 ，使用提纯晶体材料制作的检波器 ，将会完全取代电子二极管 。（要知道，当时电子管处于绝对的市场统治地位 。）
经过对100多种材料的逐一测试 ，他认为 ，硅晶体是制作检波器的最理想材料。为了验证自己的结论 ，他在同事杰克·斯卡夫（Jack Scaff）的帮助下，提炼出了高纯度的硅晶体熔合体 。
因为贝尔实验室不具备硅晶体的切割能力 ，奥尔将这块熔合体送到珠宝店 ，切割成不同大小的晶体样品 。
没想到 ，其中一块样品，在光照后 ，一端表现为正极（positive） ，另一端表现为负极（negative） ，奥尔将其分别命名为P区和N区 。就这样，奥尔发明了世界上第一个半导体PN结（P–N Junction）。
二战期间 ，AT&T旗下的西方电气公司 ，基于提纯的半导体晶体 ，制造了一批硅晶体二极管 。这些二极管体积小巧 、故障率低 ，大大改善了盟军雷达系统的工作性能和可靠性。
奥尔的PN结发明，以及硅晶体二极管的优异表现 ，坚定了贝尔实验室发展晶体管技术的决心 。
1945年 ，贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）在与罗素·奥尔交流后 ，基于能带理论 ，绘制了P型与N型半导体的能带图 ，并在此基础上 ，提出了“场效应设想” 。
肖克利的场效应设想
他假设硅晶片的内部电荷可以自由移动 ，如果晶片足够薄 ，在施加电压的影响下 ，硅片内的电子或空穴会涌现表面 ，大幅提升硅晶片的导电能力 ，从而实现电流放大的效果 。
根据这个设想 ，1947年12月23日 ，贝尔实验室的约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿做成了世界上第一只半导体三极管放大器。也就是下面这个看上去非常奇怪且简陋的东东 ：
世界上第一个晶体管（基于锗半导体）
晶体管的电路模型
根据实验记录 ，这个晶体管可以实现“电压增益100 ，功率增益40 ，电流损失1/2.5……” ，表现非常出色 。
在命名时，巴丁和布拉顿认为 ，这个装置之所以能够放大信号 ，是因为它的电阻变换特性 ，即信号从“低电阻的输入”到“高电阻的输出” 。于是 ，他们将其取名为trans-resistor（转换电阻） 。后来 ，缩写为transistor。
多年以后，我国著名科学家钱学森 ，将其中文译名定为 ：晶体管 。
我归纳一下，半导体特性是一种特殊的导电能力（受外界因素）。具有半导体特性的材料 ，叫半导体材料 。硅和锗 ，是典型的半导体材料。
微观上 ，按照一定规律排列整齐的物质，叫做晶体 。硅晶体就有单晶 、多晶、无定型结晶等形态 。
晶体形态决定了能带结构 ，能带结构决定了电学特性 。所以 ，硅（锗）晶体作为半导体材料 ，才有这么大的应用价值 。
二极管 、三极管 、四极管 ，是从功能上进行命名 。电子管（真空管） 、晶体管（硅晶体管、锗晶体管） ，是从原理上进行命名 。
巴丁和布拉顿发明的晶体管 ，实际上应该叫做点接触式晶体管 。从下图中也可以看出 ，这种设计过于简陋 。虽然它实现了放大功能 ，但结构脆弱 ，对外界震动敏感 ，也不易制造 ，不具备商业应用的能力 。
肖克利看准了这个缺陷 ，开始闭关研究新的晶体管设计 。
1948年1月23日 ，经过一个多月的努力 ，肖克利提出了一种具有三层结构的新型晶体管模型，并将其名为结式晶体管（Junction Transistor） 。
肖克利的结式晶体管设计
帮助肖克利完成最终成品制作的 ，是摩根·斯帕克（Morgan Sparks）和高登·蒂尔（Gordon Kidd Teal） 。
需要特别说一下这个高登·蒂尔 。
他发现采用单晶半导体替换多晶 ，可以带来显著的性能提升 。而且 ，也是他发现直拉法可以用于提纯金属单晶。这种方法后来一直沿用 ，是半导体行业最主要的单晶制作方法 。
晶体管的诞生，对于人类科技发展拥有极为重要的意义 。
它拥有电子管的能力 ，却克服了电子管体积大 、能耗高 、放大倍数小、寿命短 、成本高等全部缺点 。从它诞生的那一刻 ，就决定了它将实现对电子管的全面取代 。
正在生产晶体管的工人
在无线通信领域 ，晶体管和电子管一样 ，可以实现对电磁波的发射 、检波以及信号放大 。在数字电路领域，晶体管也可以更方便地实现逻辑电路 。它为电子工业的腾飞打下了坚实的基础。
后来不断壮大的晶体管家族
集成电路
晶体管的出现 ，使得电路的小型化成为可能 。
1952年 ，英国皇家雷达研究所的著名科学家杰夫·达默（Geoffrey Dummer），在一次会议上指出 ：
“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未来电子设备是一种没有连接线的固体组件 。”
1958年8月 ，德州仪器公司的新员工基尔比发现 ，由很多器件组成的极小的微型电路 ，是可以在一块晶片上制作出来的 。也就是说 ，可以在硅片上制作不同的电子器件（例如电阻 、电容 、二极管和三极管） ，再把它们用细线连接起来 。
不久后，9月12日 ，基尔比基于自己的设想，成功制造出了一块长7/16英寸 、宽1/16英寸的锗片电路 ，也是世界上第一块集成电路（Integrated Circuit）。
这个电路是一个带有RC反馈的单晶体管振荡器 ，整个是用胶水粘在玻璃载片上的 ，看上去非常简陋 。电路的器件 ，则是用零乱的细线相连 。
基尔比发明集成电路的同时 ，另一个人也在这个领域取得了突破 。这个人 ，就是仙童半导体（Fairchild Semiconductor）的罗伯特·诺伊斯（Robert Norton Noyce，后来创办了英特尔Intel）。
仙童是硅谷“八叛徒”联合创立的公司（详见 ：仙童传奇） ，在半导体技术上拥有极强的实力 。
“八叛徒”之一的让·阿梅德·霍尔尼（Jean Hoerni） ，发明了非常重要的平面工艺（Planner Process） 。
这个工艺 ，就是在硅片上加上一层氧化硅作为绝缘层。然后 ，在这层绝缘氧化硅上打洞 ，用铝薄膜将已用硅扩散技术做好的器件连接起来 。
平面工艺的诞生 ，使得仙童能够制造出极小尺寸的高性能硅晶体三极管 ，也使集成电路中器件间的连接成了可能 。
1959年１月23日 ，诺伊斯在他的工作笔记上写到：
“将各种器件制作在同一硅晶片上 ，再用平面工艺将其连接起来 ，就能制造出多功能的电子线路 。这一技术可以使电路的体积减小 、重量减轻 、并使成本下降 。”
得知基尔比提交了集成电路专利后 ，诺伊斯十分懊悔 ，认为自己晚了一步 。然而 ，很快他又发现 ，基尔比的发明其实存在缺陷 。
基尔比的集成电路采用飞线连接 ，根本无法进行大规模生产 ，缺乏实用价值 。
诺伊斯的设想是 ：
将电子设备的所有电路和一个个元器件都制成底版 ，然后刻在一个硅片上 。这个硅片一旦刻好了 ，就是全部的电路 ，可以直接用于组装产品 。此外 ，采用蒸发沉积金属的方式，可以代替热焊接导线 ，彻底消灭飞线 。
仙童的硅晶体集成电路
1959年7月30日 ，诺伊斯基于自己的想法 ，申请了一项专利 ：“半导体器件——导线结构” 。
严格来说，诺伊斯的发明更接近于现代意义上的集成电路。诺伊斯的设计基于硅基底平面工艺 ，而基尔比的设计基于锗基底扩散工艺 。诺伊斯依托仙童的硅工艺优势 ，做出的电路确实比基尔比更先进 。
1966年 ，法庭最终裁定将集成电路想法（混合型集成电路）的发明权授予了基尔比，将今天使用的封装到一个芯片中的集成电路（真正意义上的集成电路） ，以及制造工艺的发明权授予了诺伊斯 。
基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家” ，而诺伊斯则是“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人 。
1960年3月 ，德州仪器依据杰克.基尔比的设计 ，正式推出了全球第一款商用化的集成电路产品——502型硅双稳态多谐振二进制触发器 ，销售价格为450美元 。
集成电路诞生之后 ，最先应用的是军事领域（当时是冷战最敏感的时期）。
1961年，美国空军推出了第一台由集成电路驱动的计算机。1962年，美国人又将集成电路用于民兵弹道导弹（Minuteman）的制导系统 。
后来 ，著名的阿波罗登月计划 ，更是采购了上百万片的集成电路 ，让德州仪器和仙童公司赚得盆满钵满。
军用市场的成功 ，带动了民用市场的拓展。1964年 ，Zenith公司将集成电路用到了助听器上 ，算是集成电路在民用领域的首次落地 。
那之后的故事 ，大家应该都比较熟悉了。在材料 、工艺和制程的共同努力下 ，集成电路的晶体管数量不断增加 ，性能持续提升，成本逐步下降 ，我们进入了摩尔定律时代 。
摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目 ，约每隔18个月便会增加一倍 ，性能也将提升一倍 。
基于集成电路发展起来的大规模、超大规模集成电路 ，为半导体存储 、微处理器的出现铺平了道路 。
1970年 ，英特尔推出世界上第一款DRAM（动态随机存储器）集成电路1103 。次年，他们又推出世界上第一款包括运算器 、控制器在内的可编程序运算芯片——Intel 4004 。
IT技术的黄金时代，正式开始了 。
晶体管的演进
我们回过头来 ，再说一下晶体管 。
晶体管问世至今 ，形态发生过多次重大改变 。概括来说 ，就是从双极型为主，到单极型为主 。单极型的话 ，从FET到MOSFET。从结构的角度来 ，又是从PlanarFET到FinFET ，再到GAAFET。
缩略语有点多，而且比较接近 ，所以容易看晕 。大家耐心一点 ，一个个来看 。
双极型 、单极型肖克利在1948年发明的结型晶体管 ，因为使用空穴与电子两种载流子参与导电 ，被称为双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT） 。
BJT晶体管有NPN和PNP两种结构形式 ：
我们可以看出 ，BJT晶体管是在一块半导体基片上，制作两个相距很近的PN结 。两个PN结把整块半导体分成三部分 ，中间部分是基极（Base） ，两侧部分是发射极（Emitter）和集电极（Collector） 。
BJT晶体管的工作原理较为复杂 ，且现在很少用到 ，限于篇幅 ，我就不多介绍了 。从本质来说 ，这个晶体管的主要作用 ，就是通过基极微小的电流变化，让集电极产生较大的电流变化 ，有一个放大的作用 。
前面小枣君提到过逻辑电路 。由二极管与BJT晶体管组合而成的 ，被称为DTL （Diode-Transistor Logic）电路。后来 ，出现了全部由晶体管搭建的TTL（Transistor-Transistor Logic）电路。
BJT晶体管的优点是工作频率高 、驱动能力强 。但是 ，它也有缺点，例如功耗大、集成度低 。它的制造工艺也比较复杂 ，采用平面工艺存在一些弊端 。
于是 ，随着时间的推移，一种新的晶体管开始出现 ，也就是场效应晶体管（Field Effect Transistor ，FET） 。
1953年 ，贝尔实验室的伊恩·罗斯（Ian Ross）和乔治·达西（George Dacey）合作 ，制作了世界上第一个结型场效应晶体管（Junction Field Effect Transistor，JFET）原型 。
JFET（结型场效应晶体管） ，此为N沟道
JFET是一种三极（三端）结构的半导体器件，包含源极（Source） 、漏极（Drain） 、栅极（Gate） 。
JFET分为N沟道（N-Channel）JFET和P沟道（P-Channel）JFET 。前者是一块N形半导体两边制作两个P型半导体（如上图） 。后者是一块P形半导体两边制作两个N型半导体。
JFET的工作原理 ，简单来说 ，就是通过控制栅极G和源极S之间的电压（图中VGS），以及漏极D和源极S之间的电压（图中VDS） ，从而控制栅极和沟道之间的PN结 ，进而控制耗尽层 。
耗尽层越宽 ，沟道就越窄 ，沟道电阻越大 ，能够通过的漏极电流（图中ID）就越小 。沟道被耗尽层全部覆盖的状态 ，就叫做夹断状态 。
JFET晶体管工作时 ，只需要一种载流子 ，因此被称为单极型晶体管 。
1959年 ，又有一种新的晶体管诞生了，那就是大名鼎鼎的MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor FET ，金属氧化物半导体场效应晶体管） 。
它的发明人，是埃及裔科学家默罕默德·埃塔拉（Mohamed Atala ，改名为Martin Atala）与韩裔科学家姜大元（Dawon Kahng ，也翻译为江大原） 。
MOSFET同样由源极 、漏极与栅极组成 。“MOS”里的“M” ，指栅极最初使用金属（metal）实现。“O” ，是指栅极与衬底使用氧化物（Oxide）隔离 。“S” ，则是指MOSFET整体由半导体（semiconductor）实现。
MOSFET晶体管 ，也称为IGFET（In-sulated Gate FET ，绝缘栅场效应晶体管） 。
MOSFET（N型）
这种MOSFET晶体管 ，也分为“N型”与“P型” 两种 ，即NMOS与PMOS 。按操作类型的话 ，也分为增强型和耗尽型。
以上图的N型MOS（更常用）为例 。用P型硅半导体材料作衬底 ，在其面上扩散了两个N型区 ，再在上面覆盖一层二氧化硅（SiO2）绝缘层 。最后 ，在N区上方 ，用腐蚀的方法做成两个孔 。用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极: G（栅极）、S（源极）、D（漏极） 。
P型硅衬底有一个端子（B），通过引线和源极S相连 。
MOSFET的工作原理较为简单 ：
正常情况下 ，N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区 。
给栅极提供正向电压后，P区的电子会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下 ，形成一个以电子为多子的区域 ，也就是一个沟道 。
现在 ，如果在漏极和源极之间施加电压 ，电流将在源极和漏极之间自由流动，实现导通状态 。
栅极G类似于一个控制电压的闸门，若给栅极G施加电压 ，闸门打开 ，电流就能从源极S通向漏极D 。撤掉栅极上的电压 ，闸门关上 ，电流就无法通过 。
特别需要指出，1967年 ，姜大元又和华裔科学家施敏合作，共同发明了“浮栅”FGMOS（Floating Gate MOSFET）结构，奠定了半导体存储技术的基础 。后来所有的闪存 、FLASH 、EEPROM等 ，都是基于这个技术。
刚才介绍了BJT 、JFET 、MOSFET ，我先画个图 ，大家思路不要乱 ：
1963年，仙童半导体的弗兰克.万拉斯（Frank Wanlass）和萨支唐（Chih-Tang Sah ，华裔）首次提出了CMOS晶体管 。
他们将PMOS与NMOS晶体管组合在一起 ，连接成互补结构 ，几乎没有静态电流 。这也是CMOS晶体管的“C（Complementary ，互补）”的由来 。
CMOS的最大特点 ，就是功耗远低于其它类型的晶体管。伴随着摩尔定律的不断发展，集成电路的晶体管数量不断增加 ，使得对功耗的要求也不断增加 。基于低功耗的特点 ，CMOS开始成为主流 。
今天 ，95%以上的集成电路芯片 ，都是基于CMOS工艺制造 。
换句话说 ，从1960年代开始 ，晶体管的核心架构原理就已经基本定型了 。以CMOS 、硅（硅的自然存量远超过锗 ，且耐热性能比锗更好 ，因此成为主流） 、平面工艺为代表的集成电路生态 ，支撑了整个产业长达数十年的高速发展 。
PlanarFET 、FinFET 、GAAFET核心架构原理虽然没变 ，但形态还是有变化的 。
集成电路不断升级 ，工艺和制程持续演进 。当晶体管数量达到一定规模后 ，工艺会倒逼晶体管发生“变形” ，以此适应发展的需要 。
早期的时候 ，晶体管主要是平面型晶体管（PlanarFET） 。
随着晶体管体积变小 ，栅极的长度越做越短，源极和漏极的距离逐渐靠近 。
当制程（也就是我们现在常说的7nm、3nm ，一般指栅极的宽度）小于20nm时 ，麻烦出现了：MOSFET的栅极难以关闭电流通道，躁动的电子无法被阻拦 ，漏电现象屡屡出现 ，功耗也随之变高 。
为了解决这个问题 ，1999年，美籍华裔科学家胡正明教授 ，正式发明了鳍式场效应晶体管（FinFET）。
相比PlanarFET的平面设计 ，FinFET直接变成了3D设计 、立体结构 。
它的电流通道变成了像鱼鳍一样的薄竖片 ，三面都用栅极包夹起来 。这样一来 ，就有了比较强大的电场 ，提升了控制通道的效率 ，可以更好地控制电子能否通过 。
技术继续演进 ，等到了5nm时 ，FinFET也不行了 。这时 ，又有了GAAFET（环绕式栅极技术晶体管）。
GAAFET英文全称是Gate-All-Around FET 。相比FinFET ，GAAFET把栅极和漏极从鳍片又变成了一根根“小棍子” ，垂直穿过栅极。
这样的话 ，从三接触面到四接触面 ，并且还被拆分成好几个四接触面 ，栅极对电流的控制力又进一步提高了 。
韩国三星也设计出另一种GAA形式──MBCFET（多桥-通道场效应管） 。
MBCFET采用多层纳米片替代GAA中的纳米线 ，更大宽度的片状结构增加了接触面 ，在保留了所有原有优点的同时 ，还实现了复杂度最小化 。
目前，行业里的各大芯片企业 ，仍然在深入研究晶体管的形态升级 ，以期找到更好的创新 ，支撑未来的芯片技术发展 。
结语
好了 ，终于写完了 ，累死了 。能看到这里的 ，都是真爱 。
总的来说 ，不管是电子管（真空管） ，还是晶体管 ，都是用电来控制电的小元件 。晶体管基于半导体材料 ，所以能做得足够小。这是芯片（集成电路）能做到“极小身材 ，极大能力”的本因 。
半导体材料的特性 ，以及晶体管的作用 ，看上去都非常简单 。正是亿万个这种简单的“小玩意”，支撑了人类整个数字技术的发展 ，推动我们迈向数智时代 。