自從晶體管發明以來，已經有25年了。因為這壹劃時代的貢獻，電子產品已經滲透到了整個人類的生活中，成為了壹個非常普及的東西。去年12月，美國電子工業也舉行了25周年紀念大會，慶祝這壹用固體物質代替真空管的偉大貢獻。回顧半導體電子零件的發展歷史，我們發現，直到1960年，電子儀器仍然是用鉛筆上橡皮擦大小(或更大)的晶體管壹個接壹個地連接，每個晶體管的平均價格高達壹美元。20世紀60年代末，科學家們開始設計各種方法，在壹塊矽單晶片上制作部分或整套電子電路，這就是所謂的集成電路通用集成電路。早期的集成電路只能在壹個幾平方毫米的芯片上包含大約十幾個電子元件，但今天大規模生產的集成電路已經包含大約3000個電子元件，其中大部分是晶體管。目前，在壹些先進的集成電路中，晶體管多達壹萬個。似乎我們可以預期，80年代將會出現包含百萬個晶體管元件的集成電路【註1】。
傳統的晶體管被稱為雙極晶體管。由於這種晶體管生產工藝的固有限制，我們很難在壹個芯片上生產出高元件密度的集成電路。因此，所謂的LSI(大規模集成電路)目前是通過MOS方法制造的。所謂MOS，就是金屬氧化物半導體的縮寫(見圖4)。有了這項技術，集成電路可以做得更小，包含更多的元件。而且MOS的制造工藝比傳統晶體管簡單。我們都知道，壹個產品如果能在市場上競爭，無非就是質優價廉，而且MOS的生產工序簡單，所以成本低。壹個有200個晶體管的LSI上每個晶體管的平均價格只有壹美元，而壹般認為十年後每個晶體管的平均價格可以降低30倍，屆時每個晶體管的價格會像紙上燙印的字壹樣便宜(見圖3)。此外，集成電路可靠性的提高和體積重量的降低也是集成電路被普遍重視和喜歡的原因之壹。當然，這些原因與成本的降低相比，都是微不足道的。
要降低成本，只有量產，也就是集成電路的制造采用量產。壹般的方法是讓很多芯片同時經過壹系列的化學和冶金處理，再經過光刻、擴散等程序，往往每個芯片上可以制作出上百個集成電路。然而，盡管科學家們盡最大努力保持每個晶片的性質相同，甚至在每個制周程序中都註意到這個問題，但每個晶片的性質永遠無法保持壹定的規格，每個晶片上往往會有許多缺陷和位錯，或者晶片表面附著壹些不必要的物質；而且由於集成電路中的精度是以微米(10-4cm)為單位的，壹個肉眼看不到的缺陷往往會破壞整個集成電路的特性，所以上面提到的壹些量產的IC往往在質檢後就被淘汰了，所以在IC制造中就會出現所謂的“良率”問題。壹個先進的集成電路在生產初期的成功率往往很低，但從摸索實驗的經驗中往往能很快提高成功率。近年來，由於精密測量和控制儀器的改進，集成電路制造工藝有了很大的改進。因此，科學家可以制造更復雜的集成電路。當然，集成電路越復雜、越密集，其成功率就越低，所以除非在制造程序上有大的突破，否則成本的降低總會達到壹定的極限。
晶體管的起源
MOS集成電路上的晶體管是場效應晶體管，壹般稱為FET(場效應晶體管)。其工作原理是在垂直於芯片表面的方向上施加壹個電場，以控制源極和漏極之間的電導。其實這個效應早在1930年(他在1935年獲得了場效應器件的專利權)就被朱利葉斯(Edgar Schmidt)發現了，但當時由於缺乏晶體表面和薄膜的物理知識，場效應器件還做不出來，而且當時由於大部分科學家都致力於真空管的研究和開發，場效應的理論也壹直缺乏。
1930年底，在貝爾實驗室工作的年輕物理學家威廉·b·肖克利對用固體物質制造電子元件的可能性產生了濃厚的興趣。起初，他致力於開發壹種固體電子元件，作為電話到電話的交換系統，以取代傳統的機電開關。沙克裏和壹些先進人士確信，電話交換機在不久的將來會有很大的需求。如果還是用真空管的話會很不經濟，真空管的可靠性很低。在沃爾特·肖特基(Walter Schottky)關於金屬與半導體界面整流(交流電轉直流電)現象的文章中，薛克利發現我們可以利用半導體中空間電荷區寬度的變化)〔30〕來放大信號(見圖2)。他確信，這層空間電荷區可以像開關閥壹樣用來控制半導體中的電導，從而達到控制兩個電極之間電流的效果，這與真空管利用柵極電壓控制兩個電極之間電流的原理非常相似。1939年，薛克禮曾試圖用銅和氧化銅來試制這種電子元件，可惜沒有成功。
二戰後，薛克利回到貝爾實驗室工作。何、和沃爾特·H·布拉坦)〔30〕開始研究鍺(Ge)半導體中的場效應放大(因為當時鍺的物理性質遠好於氧化銅)。他們對半導體表面接觸和空間帶電區域的研究，終於在1947年發明了“點接觸晶體管”。雖然這種點接觸晶體管無法量產，但他們無論如何都確認了用半導體制作電子元件的想法，剩下的似乎只是技術問題。果然，結型晶體管是1948年制造的。結型晶體管或雙極型晶體管有兩個結；這兩個結將半導體分為三個區域，即發射極、基極和集電極。從發射極流到集電極的電流可以通過基極的微小信號來控制，因此具有信號放大的功能。
盡管晶體管的發明讓科學界興奮了壹段時間，但在沙克裏的領導下，貝爾實驗室科學家對場效應的興趣絲毫沒有降低。1948年Gerald L. Pearson和Shackley發現了矽片pn結中的場效應現象(註4)，1952年Shackley發表了場效應晶體管理論。就在第二年(1953)，喬治·c·戴西(george C. Dacey)和m·羅斯(M. Ross)設計了場效應晶體管，但當時的場效應晶體管是用電場來控制Ge中的傳導現象。這種場效應晶體管因為價格高，相對於普通晶體管優勢有限，所以只在壹些特殊場合使用。
科學家發現，矽對溫度的穩定性高，在制造中容易控制，因此成本較低。大約在1950之後，Si逐漸取代Ge成為晶體管的材料。科學家對矽晶體表面的研究進展相當迅速，元件的制造技術也日新月異；因此，矽和二氧化矽之間的界面現象逐漸被了解並可以控制，制造出來的電子元件的穩定性也越來越高。貝爾實驗室的Dawon Kahung和John Atalla用壹個絕緣電極(他們稱之為門)在1960中的P-N結之間誘導出壹個導電通道來控制晶體中的導電狀態。根據這個想法，兩年後，美國無線電公司的斯蒂芬·霍夫斯坦(Stephen R. Hofstein)和弗雷德裏克·p·海曼(Frederick P. Heiman)終於設計出了場效應晶體管(FET)。其結構如下:在矽片上兩個不同的地方引入N型或P型雜質作為源極和漏極，在兩個電極之間的矽片上生長壹層二氧化矽絕緣體，然後在二氧化矽上鍍壹層金屬作為柵極。從縱剖面看，它的結構是金屬氧化物半導體，所以叫MOS晶體管。
我們以N型半導體為例來說明MOS的工作原理。當在源極和漏極之間施加電壓時，它們之間的導通是否良好可以由溝道中的電荷量來確定，並且溝道中的電荷可以由柵極的電壓來感應。從電磁學的知識我們都知道，如果給柵極壹些電荷，柵極下面的半導體會引起壹些符號相反的電荷，可以形成所謂的溝道。這個溝道的寬度(也就是引起的電荷量)和柵極的電壓成正比，所以我們可以用柵極的電壓來控制源漏之間的電流。實際上，如果加在柵極上的電壓沒有超過所謂的閾值電壓，源漏之間的電導還是很小的，但是壹旦超過閾值電壓，電導就急劇增加，所以兩者之間的電流就急劇增加。N型半導體的柵極上的電壓為負，因此感應的電荷為正[註5]。這種溝道稱為P溝道增強型晶體管。如果半導體是P型，其源極和漏極是N型，那麽柵極上的電壓應該是正的，感應電荷應該是負的。這時的晶體管稱為N溝道增強型晶體管。還有壹種FET，結構基本和上面壹樣，只是柵壓為零時源漏之間有壹個帶電的溝道(這個溝道的電荷和源漏的電荷相同)。當柵極加電壓時，溝道中的電荷減少(比如原來是N溝道，加負電壓後由於電場的作用，溝道中的電子數減少)，所以柵極電壓為零時兩電極間的電流最大，升壓電流減少。根據溝道電荷的不同，這種晶體管被稱為N溝道耗盡型晶體管和P溝道耗盡型晶體管。但在實際應用中，增強型場效應管具有很大的可塑性，所以大多用於電路中。
金屬氧化物半導體晶體管
我們之前說過，MOS晶體管的制造工藝比傳統晶體管簡單得多。因此，制造MOS集成電路比使用舊的晶體管集成電路要簡單和容易得多。以普通逆變器為例。如果使用結型晶體管，它需要四個不同的擴散步驟和六組屏蔽。(註:屏的作用請參考《約克》第四卷“離子註入技術”壹文。)然而，如果使用MOS晶體管，則只需要壹個擴散步驟和五組屏幕。正是由於上述優點和低成本，MOS的研究從1960開始受到廣泛關註。科學家們花了幾年時間研究和解決矽片和氧化矽界面的不穩定性問題以及氧化矽本身的特性。六年來，MOS集成電路從無到有，到今年4800萬個集成電路，總價值2.5億美元。預計今年雙極晶體管集成電路將多達4億個(總價值7.2億美元)。讀者從上面的數字可以發現，MOS集成電路的增長速度是相當驚人的。
MOS和真空管壹樣，用電壓控制電流，輸入阻抗很高，輸出和輸入的比例相當線性。而結型晶體管受電流控制，所以其特性不像MOS那樣線性，輸入阻抗也比MOS小很多。其次，在導通和非導通條件下，MOS消耗的能量都比結型晶體管少得多。但到目前為止，我們制造的MOS晶體管的工作速度還沒有壹般晶體管快。但這種速度的差異主要是因為MOS的制造工藝不成熟，而不是MOS本身的理論限制。從目前的情況來看，因為各自的優缺點，設計儀器的工程師往往會在兩者之間猶豫不決，但我個人認為，70年代末MOS將在數字電子電路中扮演更重要的角色。
目前，在臺式計算器和各種電子設備中使用了數百個MOS集成電路，包括最簡單的邏輯電路到包含存儲單元和邏輯的集成電路。除了需要高速電子計算機，幾乎所有新的電子設備都有壹些MOS線在裏面。
MOS計算器
MOS在商業上最大的應用大概就是臺式計算器和袖珍計算器了。在MOS應用之前，臺式計算器多采用機電部分設計，因此每臺計算器的成本約為500至1000美元。後來雙極晶體管的集成電路應用到世界上以後，質量當然提高了很多，但是在成本方面，提高不是很大。但是到了1969，我們已經能夠將計算器中所有的計算單元設計在幾個集成電路上，僅僅三年之後，現在我們就可以將整個復雜的計算器電路設計在壹個MOS集成電路上(見圖4)。使用這種MOS集成電路大大降低了計算器的成本。現在50 ~ 200元美金就能買到壹臺高效的計算器，相信在不久的將來這種計算器的價格會更便宜，質量會更好。
雖然MOS還不夠快，不能用於大型計算機的中央處理系統，但MOS集成電路的價格越來越低，目前已經可以和磁環存儲器競爭了。人們相信，未來計算機中的所有存儲單元都將被MOS所取代。目前MOS中每個bit的價格在0.8美分左右。最近用MOS做了壹個隨機存取存儲器，價格和磁環存儲器相當，優點是需要的功率少，產生的熱量少，所以在設計計算機的時候可以把存儲器中存儲單元的密度設計得很高。此外，當使用磁線圈作為存儲器時，需要高質量的導線。為了經濟，這種高質量的導線往往被所有的磁線圈使用，無形中限制了電腦的功能。但在使用MOS存儲器時，由於其數據可以用集成電路代替，計算機設計者可以自由安排其存儲器，使整個計算機具有更好的效率，而不用擔心成本問題。雖然磁環存儲器的廠商都在努力與MOS存儲器競爭，但我深信MOS取代磁環存儲器只是時間問題。
什麽是PMOS，NMOS和CMOS？
回顧半導體技術的發展歷史，我們可以看到，由於半導體材料、結構和電路的高度研發，整個半導體技術壹直在進步。在MOS方面，其應用已經相當廣泛，但仍在不斷擴大。市面上最早的MOS集成電路是P溝道增強型(PMOS)。目前這類MOS占所有MOS集成電路的80%左右，大概就是PMOS的生產工藝更容易控制的原因吧！然而，目前的技術已經可以制造其他類型的MOS，如NMOS (N溝道增強型MOS)和CMOS(互補型MOS)，其中NMOS和PMOS相結合。因為電子比空穴更容易移動，所以NMOS的運算速度比PMOS快2 ~ 3倍左右，所以在壹些速度因素更重要的地方使用NMOS，以獲得整個集成電路的最佳效果。
目前，CMOS正受到廣泛關註，它很可能成為所有元件中最重要的。N溝道和P溝道結合的電路可能是目前所有集成電路中最好的。最簡單的CMOS電路是壹個反相器(見圖5)，由PMOS和NMOS串聯組成。目前，該電路在所有半導體元件中消耗最少的功率。通過適當地組合這種反相器電路，我們可以設計出許多有用的電路，而功耗卻很小。例如，壹個常用於計時的14級二進制計數器(14級二進制計數器)，在5伏下僅消耗2.5微瓦(10-6瓦)的能量，僅為使用PMOS或雙極晶體管集成電路時的1/10萬左右。這對於壹些電源有限的儀器來說確實很重要，任何電池供電的設備都應該考慮使用CMOS。
PMOS和NMOS也可以並聯形成傳輸開關，可以雙向傳輸數字信號或模擬信號。理論上這種電路也可以通過NPN和PNP晶體管組合得到，但是這種電路非常不經濟，而且使用低成本的CMOS還有壹個好處，所以在噪聲信號強的地方應該使用CMOS。電路設計者發現，通過適當地組合反相器電路和轉換開關電路，我們可以得到任何我們需要的邏輯電路和開關電路。
集成電路，尤其是CMOS的壹個很大的商業應用就是制作電子表或電子鐘，其精度是任何機械鐘都達不到的。它利用電子計數電路將應時的固有振動頻率分成幾種電信號來驅動鐘表上的指針，甚至直接將這些信號連接到液晶(liqguid晶體)、發光二極管(light emitting diode)等電光數字器件上。這樣，我們可以直接從指示的數字中知道時間。看來這種物美價廉的電子表勢必會改變整個鐘表行業。
理論上，MOS的工作速度應該只與電荷載流子的遷移率和載流子行進的距離有關，所以它的工作速度應該和最快的晶體管差不多。但是目前我們做的MOS的運算速度比雙極晶體管慢很多。原因是什麽？理論上，既然沒有限制，那壹定是結構問題。過去，當我們進行源極和漏極擴散時，我們經常在源極、漏極和矽襯底之間形成壹個相當大的電容。由於這些電容器，整個MOS的操作速度被減慢。現在科學家們正在用各種方法減少這些電容來提高速度，相信未來MOS集成電路的運算速度將會大大提高。
什麽是SOS
在MOS的制造工藝和工作原理中(參考圖2，圖6)，我們可以發現實際使用的矽片只是表層，真的沒有那麽厚，但是太薄的矽片太碎了，無法操作，於是科學家想到了另壹種方法，就是嘗試在人造藍寶石上鍍壹層矽單晶膜(約10-4cm厚)，然後在這層膜上制作MOS結構。發現采用這種結構，源漏電壓比矽片低20倍左右。而且，我們可以用化學方法腐蝕掉晶體管之間的矽單晶膜，達到隔離的效果，然後我們蒸發掉金屬，這樣晶體管就可以互相連接起來，形成我們需要的電路。這裏要指出的是，大部分金屬都是鍍在藍寶石上的，不像以前的MOS都是鍍在矽片上的，所以不會有額外的電容。這種在藍寶石上鍍壹層矽單晶膜制成的組件叫做SOS，是英文字母Silicon Sapphire的縮寫。目前這種SOS集成電路由於技術不成熟，價格還是比較貴的，所以只在壹些特殊場合使用。
標簽
MOS可以成功用作場效應晶體管，我們也可以在柵極和矽基之間使用二氧化矽作為電容。電容器可以儲存電荷。如果我們適當地安排這些MOS電容器，我們可以使用時鐘脈沖信號來控制電荷從壹個電容器轉移到另壹個電容器。基於這壹原理，我們可以將MOS用作數據處理系統的移位寄存器。此外，MOS電容器也可以用作光敏元件。當光照射到該元件時，將產生電載流子，並將其存儲在MOS電容器中。後來，當輸入壹系列時鐘脈沖信號時，我們就可以讀出光產生的信號。目前，壹種電視攝像機已經制成，它的體積只有手掌那麽大，重量不到壹磅，就是由這種元件制成的。這種MOS光敏元件還可以應用於慢掃描電視、高清傳真等需要高分辨率的儀器。我們可以想象這個組件未來在工業或者其他娛樂消費方面的應用前景。
回顧MOS的發展歷史，其理論被科學家演繹了很久，但真正的MOS器件大量應用於市場卻是近幾年的事情。可見，壹個聽起來很有道理的想法，往往是靠科技實現的。能不能不要為了趕上別人而埋頭科研？翻譯受到年輕朋友的鼓勵。
原文翻譯自《科學美國人》。
八月1973
註1:隨著離子註入技術的發展和晶體質量的提高，這種集成電路似乎指日可待。(請參考《科學月刊》第10期第4卷)
註2:我們用N型矽晶體來說明這個現象。金屬和半導體接觸時，靠近界面的N型晶體中的電子會被排斥，所以在界面附近會有壹個帶正電荷的離子區，我們稱之為空間電荷區。
註3:沙克爾利、巴丁和布雷登因發明晶體管獲得1956諾貝爾物理學獎。其中，布雷登曾於去年9月訪問中國。
註4:N型晶體與P型晶體鍵合形成的結稱為PN結，但在實際制造中，三價(或五價)原子是通過擴散或離子註入技術滲入N型(或P型)原晶體中形成這種結的。
註5:在半導體科學中，這種正電荷被稱為“空穴”，因為它實際上是由於晶體結構的鍵上缺少了壹個電子而形成的，而這種空穴很容易從其他鍵上搶奪電子，從而產生電子的流動，這種流動可以看作空穴的流動，只是與電子的流動方向相反。讀者要註意的是，這個帶正電荷的空穴和之前的空間電荷之間的正電荷完全不同。空間電荷區的正電荷是由離子產生的，是固定不動的，但由於施加了電場，空穴可以流動產生電流。