晶體管的案例
天津大學:基于N型二維有機單晶的高性能場效應晶體管和近紅外光電晶體管
【成果簡介】
有機場效應晶體管和近紅外光電晶體管因其在邏輯電路、夜視、健康檢測和紅外成像等各個領域都具有巨大的應用潛力，在過去幾十年來受到了全世界眾多研究者的特別關注。通常來說，敏感度（光信號區別于暗態信號）是評價一個近紅外晶體管性能的重要指標。為了獲得一個較高的敏感度和保證理想的晶體管行為，提高晶體管的載流子遷移率和降低暗電流通常是行之有效的方法。相較于傳統的無機紅外光電晶體管材料來說，π共軛有機半導體具有廉價、質輕、兼容柔性制備過程和快速室溫溶液加工等眾多優勢。然而當前的研究瓶頸問題主要有兩點：1、具有場效應遷移率超過1 cm2 V-1s-1 的窄帶隙近紅外材料并不多；2、窄帶隙近紅外材料因為熱激發在黑暗條件下通常較高載流子密度從而暗電流高居不下。因此，開發出同時兼具較高場效應遷移率和超低暗電流的近紅外有機光電晶體管就顯得尤為重要。超薄二維有機單晶恰好具備了以上兩點優勢：一是長程有序無晶界的單晶，有利于制備高電子遷移率的場效應晶體管；二是僅有幾個分子層的超薄溝道，在閾值電壓附近可以處于完全耗盡層從而使暗電流得以降低。
近日，天津大學胡文平教授和張小濤副研究員（共同通訊作者）課題組基于本組開發的“溶液外延”生長方法，成功制備了一種在830 nm近紅外波段具有很強的吸收的呋喃噻吩醌式樣品（TFT-CN）的N型有機二維單晶。制備出的二維晶體最大尺寸可達毫米級別而厚度僅有4.8 nm，對應2~3個分子層。經過粉末X-射線衍射、偏光顯微鏡、選區電子衍射等表征，證明了毫米級別的超薄TFT-CN晶體為一整塊單晶并且沒明顯有晶界的存在。以TFT-CN二維有機單晶同時作為吸光層和導電溝道制備而成的有機近紅外光電晶體管顯示出了非常優異的性能。晶體管的場效應電子遷移率最高為1.36 cm2 V-1s-1，平均為1.04 cm2 V-1s-1，開關比可達108。
展開 簡述晶體管的發展史
來源：半導體芯聞，編譯自allaboutcircuits
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。
展開 科普 | 晶體管的分類
相對功率晶體管而得名，一般以樹脂封裝居多，這是其特點之一。
功率晶體管
一般功率晶體管的功率超過1W。相比小信號晶體管擁有更大的最大集電極電流、最大集電極功率，對于散熱而言，它本身形狀就很大 ，有的功率晶體管上還覆蓋著金屬散熱片。
晶體管"一詞由Transfer（傳送信號）和Resistor（電阻器）組成。構成晶體管的硅是形成地球的巖石中大量含有的物質。因此，晶體管也俗稱"石"，設計者常用"…之石"的叫法
3. 按集成度分類
為滿足客戶需求，ROHM在分立式晶體管以外，還制造集成多個晶體管的復合晶體管。包括內置電阻的數字晶體管、集多個晶體管于一體的晶體管陣列，還有構成簡單電路的晶體管單元。
※數字晶體管
內置電阻的晶體管。它是在電路設計中將頻繁使用的部分標準化的產物。
4. 按形狀分類
根據功率及安裝形態，決定了晶體管的外形大小和形狀。大體分為引腳型和表面安裝型。
來源：面包板社區
展開 晶體管BJT和MOSFET是如何工作的?
晶體管是一個簡單的組件，可以使用它來構建許多有趣的電路。在本文中，將帶你了解晶體管是如何工作的，以便你可以在后面的電路設計中使用它們。
一旦你了解了晶體管的基本知識，這其實是相當容易的。我們將集中討論兩個最常見的晶體管：BJT和MOSFET。
晶體管的工作原理就像電子開關，它可以打開和關閉電流。一個簡單的思考方法就是把晶體管看作沒有任何動作部件的開關，晶體管類似于繼電器，因為你可以用它來打開或關閉一些東西。當然了晶體管也可以部分打開，這對于放大器的設計很有用。
1 晶體管BJT的工作原理
讓我們從經典的NPN晶體管開始。
下圖是個雙極結晶體管(BJT)，有三個引腳：
基極(B)
集電極(C)
發射極(E)
如果你打開它，電流可以通過它從集電極到發射極。當它關閉時，沒有電流流過。
在下面的示例電路中，晶體管是關著的。這意味著沒有電流可以通過它，所以發光二極管也被關閉了。
要打開晶體管，基極和發射極之間的電壓約為0.7V。
如果你有一個0.7V的電池，你可以把它連接到基極和發射極之間，晶體管就會打開。
既然我們大多數人沒有0.7V的電池，我們怎么打開晶體管？
很簡單！晶體管的基極到發射極部分的工作原理是二極管，二極管有一個正向電壓，它會從可用電壓中“抓取”這部分電壓。如果你在串聯中加入一個電阻器，其余的電壓就會在電阻器上分壓。
因此，增加一個電阻器，你會自動獲得0.7V左右。這和你通過LED限制電流確保它不會爆炸是一樣的原理。
展開 
一種新型的晶體管亮相
來源：內容編譯自「electropages」
最
近
，普渡大學的研究人員宣布開發一種稱為 CasFET 的新晶體管技術，該技術可能有助于進一步減小晶體管的尺寸。
自第一個集成電路開發以來，摩爾定律的想法迫使半導體制造商每兩年將半導體芯片上的晶體管數量增加一倍。這個翻倍為技術進步做出了巨大貢獻，因為可以借此提高設備的處理能力、增加內存大小并實現高速通信。
然而，晶體管現在開始達到原子級，進一步縮小它們的尺寸給半導體行業帶來了前所未有的挑戰。例如，原子級器件表現出電子隧道效應等量子效應，使得絕緣層難以生產。原子級晶體管面臨的另一個挑戰是散粒噪聲，它是由使用的非常小的電流（與單個電子的隨機運動相比）產生的。
所有這些挑戰都讓研究人員轉向創造性的設計和方法來開發功能設備。較新的之一英特爾開發的技術是 RibbonFET，一種晶體管，其通道被分成多條完全被柵極包圍的導
最近，普渡大學的研究人員開發了一種稱為級聯場效應晶體管（Cascade Field-Effect Transistors）的新晶體管技術，或簡稱為 CasFET。新器件的外觀與 RibbonFET 相似，通道完全被柵極包圍。然而，CasFET 的出現是相似之處的結束，據研究人員稱，新晶體管的作用非常不同。
第一個主要區別是，與使用定義的導帶和價帶的標準晶體管不同，CasFET 使用可以存在電子的子帶。據研究人員稱，晶體管的行為更像是量子級聯激光器，而不是典型的 FET 器件用于電子產品。
展開 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
表2：CoolGaN和碳化硅MOSFET CoolSiC關鍵參數對比
從表2可知，氮化鎵晶體管在動態參數上都低于碳化硅MOSFET，因此氮化鎵晶體管的開關損耗低于碳化硅MOSFET，在高工作頻率下的優勢會更明顯。電流反向流動時
（源極到漏極）
氮化鎵晶體管的壓降與其門極到源極的驅動電壓相關，需要根據應用情況對比孰高孰低。對于最后一項門限電壓Vgs
(th),
氮化鎵晶體管的數值非常小，意味著對于氮化鎵晶體管的驅動設計要非常注意，如果門極上的噪聲較大，有可能引起氮化鎵晶體管的誤開通。同時CoolGaN為電流型驅動模式，與傳統的電壓型驅動有所不同。而碳化硅MOSFET的門限電壓高很多，其驅動要求與IGBT驅動非常接近。
圖13給出了另外一個重要的參數的對比，即導通電阻RDS
(on)
隨溫度變化率。眾所周知功率半導體開關的導通電阻都是正溫度系數，即結溫越高則導通電阻越大。從圖13可知碳化硅MOSFET的溫升系數遠小于氮化硅晶體管以及硅MOSFET，在結溫100°C時相差已經達到30%和50%。
展開 干貨 | 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
圖13：碳化硅MOSFET，氮化鎵晶體管和硅MOSFET導通電阻隨結溫變化曲線
應用對比
首先在圖7所示的電流連續模式(CCM)的圖騰柱(totem-pole)無橋PFC電路上對氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET對轉換效率的影響進行了測試，測試條件如表3所示。
表3：PFC電路測試條件
測試中每種功率開關都測試了兩種導通電阻的器件，對于氮化鎵晶體管，RDS(on)分別為35mohm和45mohm，碳化硅 MOSFET則分別是65mohm和80mohm。測試結果如圖14所示。在輕載情況下由于功率開關的開關損耗高于導通損耗，因此氮化鎵晶體管的效率明顯高于碳化硅晶體管。當負載逐漸加重時，導通損耗在總損耗中的占比高于開關損耗。同時由于負載加大，功率開關的溫升升高，而根據圖13導通電阻隨結溫的變化率可知碳化硅晶體管的導通電阻隨溫度上身而增加較小，因此在高溫下兩種功率開關的效率差異已經非常小，雖然碳化硅晶體管的25°C下的導通電阻是高于氮化鎵晶體管的。
展開 5nm以后的晶體管選擇
推動晶體管往5nm以下節點微縮是VLSI工業的關鍵問題之一，因為越變越小的晶體管帶來了各種各樣的挑戰，全世界也正在就這個問題進行一些深入研究以克服未來技術節點的挑戰。
在本文，我們回顧了包括如碳納米管FET，Gate-All-Around FET和化合物半導體在內的潛在晶體管結構和材料，他們被看做解決現有的硅FinFET晶體管在5nm以下節點縮放的問題。
半導體時代始于1960年，是伴隨著集成電路的發明而開啟的。在集成電路中，所有有源/無源元件及其互連都集成在單個硅晶圓上，這就使得它們在便攜性、功能性、功耗和性能方面具有領先的優勢。而在過去幾十年里，VLSI行業也在摩爾定律的“指導”下快速發展。所謂摩爾定律，是指集成在芯片上的晶體管數量大約每兩年增加一倍。
為了從縮小尺寸的晶體管獲得相應的收益，VLSI行業在不斷改進晶體管的結構、材料、制造技術以及設計IC的工具。到目前為止，晶體管所采用的各種技術包括了高K電介質，金屬柵極，應變硅（strained silicon），雙圖案化（double patterning），從多個側面控制通道，絕緣體上的硅（SOI）和更多技術。其中一些技術在《關于CMOS，SOI和FinFET技術的評論文章》中有討論過。
如今，物聯網，自動駕駛汽車，機器學習，人工智能和互聯網流量的需求呈指數增長，這將給晶體管帶來了縮小到現有7nm節點以下以獲得更高性能的驅動力。然而，縮小晶體管尺寸卻存在若干挑戰。
亞微米（Sub-Micron）技術的問題：
每次我們縮小晶體管尺寸時，都會生成一個新的技術節點。所以我們已經看到了如28nm，16nm等的晶體管尺寸。
展開 科普 | 晶體管篇之由來
1948年，晶體管的發明給當時的電子工業界來帶來了前所未有的沖擊。而且，正是這個時候成為了今日電子時代的開端。
之后以計算機為首，電子技術取得急速發展。正因為它如此地豐富了人們的生活，就其貢獻度而言，作為發明者的3位物理學家--肖克萊博士、巴丁博士和布菜頓博士，當之無愧地獲得了諾貝爾獎。
恐怕今后的發明都難以與晶體管的發明相提并論?？傊?em>晶體管為現代社會帶來了巨大的影響。
2. 從鍺到硅
最初，晶體管是由鍺（半導體）做成的。
但是，鍺具有在80°C左右時發生損壞的缺點，因此現在幾乎都使用硅。
硅是可以耐180°C左右熱度的物質。
3. 晶體管的作用是"增幅"和"開關"。
比如收音機。放大空中傳播的極微弱信號，使音箱共鳴。這一作用便是晶體管的增幅作用。不改變輸入信號的波形，只放大電壓或電流。
這是模擬信號的情況，但是計算機等使用的數字信號中，晶體管起著切換0和1的開關作用。
IC及LSI歸根結底是晶體管的集合，其作用的基礎便是晶體管的增幅作用。
4. 集電阻和晶體管于一體
原來基板上的電阻和晶體管分別安裝，數字晶體管即是內置了電阻的晶體管。
數字晶體管有諸多優點如：
1. 安裝面積減少 2. 安裝時間減 3.
展開 胡正明撰文：晶體管的未來是我們的未來
在晶體管發明 75 周年之際，我想回答兩個問題：世界需要更好的晶體管嗎？如果是這樣，他們會是什么樣子？
我會爭辯說，是的，我們將需要新的晶體管，而且我認為我們今天已經有了一些關于它們會是什么樣子的暗示。問題在于我們是否有意愿和經濟能力去制造它們。
我相信晶體管現在是并將繼續是應對全球變暖影響的關鍵。氣候變化可能會給社會、經濟和個人帶來巨變，因此需要能夠賦予我們人類更大能力的工具。
半導體可以像其他技術一樣提高人類的能力。根據定義，所有技術都可以提高人類的能力。但對他們中的大多數人來說，自然資源和能源的限制使得數量級的改善值得懷疑。
展開 日本制造出GaN和SiC混合晶體管
12月12日，日本國家先進工業科學技術研究所（AIST）宣布，它成功地制造并驗證了混合晶體管的制造和操作，該晶體管將使用GaN的高電子流動性晶體管和使用SiC的PN二極管整體集成在一起。
研究結果由AIST先進電力電子研究中心電力設備團隊高級研究員中島明彥和原田信介領導的研究小組完成。詳情于2021年12月11日至15日在美國舊金山舉行的全球最大的半導體器件和工藝技術國際會議IEDM上公布。
為了實現電子設備的節能，有必要提高各種設備的能效。因此，對于用于轉換和控制此類功率能量的功率轉換器的功率晶體管，還需要進一步的技術創新。
由于功率晶體管用作電力轉換電路中電氣開關，因此"為了實現高效率的功率轉換，在開關接通狀態下減少導通損耗的低導通電阻"、"用于減少開關損耗的導通和截止的高速切換性能"、"在電力轉換電路的異常動作時作為噪聲能量的吸收源的作用" 需要三種性能。
在傳統的Si晶體管中，由于這三種性能據說在材料上幾乎達到了極限，作為下一代半導體材料，GaN和SiC的寬帶隙有望得到利用。然而，傳統的GaN高電子流動性晶體管（GaN晶體管），由于源電極和漏極之間不存在PN結，由于沒有體二極管，因此不適合作為噪聲能量的吸收源。因此，研究人員說，他們的目標是通過在同一基板上形成GaN晶體管和SiC二極管來解決這些問題。
為了實現這一點，需要GaN和SiC的設備原型設計環境，因此，在TIA的開放創新中心"TIA"內，AIST等3個研究機構和東京大學等3所國立大學合作運營的SiC功率器件的100mm原型生產線已經擴大。
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晶體管，到底是誰發明的？
巴丁和布拉頓發明的晶體管，實際上應該叫做點接觸式晶體管。從下圖中也可以看出，這種設計過于簡陋。雖然它實現了放大功能，但結構脆弱，對外界震動敏感，也不易制造，不具備商業應用的能力。
肖克利看準了這個缺陷，開始閉關研究新的晶體管設計。1948年1月23日，經過一個多月的努力，肖克利提出了一種具有三層結構的新型晶體管模型，并將其名為結式晶體管（Junction Transistor）。這一年的6月26日，肖克利如愿獲得了只有自己名字的專利（專利號：US2569347A）。
肖克利的專利一開始是受到廣泛質疑的，很多人認為這個模型無法實現。后來，1950年，肖克利的同事兼好友摩根·斯卡帕斯（Morgan Sparks）和高登·蒂爾合作，經過一系列嘗試，成功使用直拉法制作出了NPN型晶體管實物，才算給肖克利證名。
手握晶體管的肖克利
這一年的11月，肖克利發表了論述半導體器件原理的著作《半導體中的電子和空穴》，從理論上詳細闡述了結型晶體管的原理。
1951年初，結式晶體管的指標全面超過了點接觸式晶體管。肖克利在晶體管發明上的貢獻，終于得到了貝爾實驗室上下的一致認可（至少是技術水平上的認可）。
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半導體產業爆發，研究團隊散伙
晶體管的誕生，對于人類科技發展擁有極為重要的意義。它擁有電子管的能力，卻克服了電子管的缺點。從它誕生的那一刻，就決定了它將實現對電子管的全面取代。
進入50年代，晶體管發展進入了井噴期。晶體提純技術、光刻技術等全面爆發，可以說是日新月異。
展開 美研制出迄今最小三維晶體管
美國研究人員研制出一種新的三維晶體管，尺寸不到當今最小商業晶體管的一半。他們為此開發了一種新穎的微加工技術，可以逐個原子地修改半導體材料。
為了跟上“摩爾定律”的步伐，研究人員一直在尋找將盡可能多的晶體管塞入微芯片的方法。最新的趨勢是垂直豎立的鰭式三維晶體管，其尺寸約為7納米，比人類頭發還要薄幾萬倍。
美國麻省理工學院和科羅拉多大學研究人員在IEEE（電氣和電子工程師協會）國際電子器件會議上發表論文稱，他們對最新發明的化學蝕刻技術（熱原子級蝕刻）進行了改進，以便在原子水平上對半導體材料進行精確修改，利用這種技術制造出的CMOS三維晶體管可窄至2．5納米，且效率高于商用晶體管。
雖然目前存在類似的原子級蝕刻方法，但新技術更精確且能產生更高質量的晶體管。此外，它重新利用了一種常用微加工工具在材料上沉積原子層，這意味著它可以快速集成。研究人員稱，這可以使計算機芯片擁有更多的晶體管和更高的性能。
該鰭式場效應晶體管（FinFET）由薄“硅片”組成，垂直豎立在基板上，邏輯門基本上纏繞在鰭片上。由于其垂直形狀，可以在芯片上擠壓70億—300億個FinFET。目前大多數在研的FinFET尺寸為5納米寬度（業界理想閾值）和220納米高度。
新技術減少了因材料暴露于氧氣引起缺陷而使晶體管效率降低的問題。研究人員報告稱，新器件在“跨導”中的性能比傳統的FinFET高出約60％。晶體管將小電壓輸入轉換為由柵極提供的電流，該電流打開或關閉晶體管以處理驅動計算。
研究人員說，限制缺陷也會帶來更高的開關對比度。理想情況下，晶體管導通時需要高電流以處理繁重的計算，且在關閉時幾乎沒有電流以節省能量。
展開 淺談先進晶體管：3、2、1納米新一輪芯片制程中，誰將勝出？有何發展趨勢？（干貨文章?。?/span>
圖片來源：臺大電子工程學研究所劉致為教授研究團隊
晶體管由傳統的平面式（圖三a）走向三維的立體結構（圖三b），因為三面的閘極結構（Tri-Gate）
與魚鰭十分相似，所以稱為鰭式晶體管。鰭式晶體管具有比平面晶體管更大的等效寬度（effective width），可提高元件之電流密度，且其三維之結構可增加通道控制能力，抑制短通道效應（short channel effect）。
三維的鰭式晶體管結構可降低次臨界擺幅（subthreshold swing, SS）與工作電壓，減少晶體管損耗功率（圖三c）。鰭式晶體管已從16 納米、10 納米、7 納米、5 納米、3 納米共發展了五代技術節點，為目前的主流元件結構。
▲ 圖三、（a）平面晶體管示意圖（b）鰭式晶體管示意圖（c）電流–電壓關系圖。[2]
02
鰭式3 納米臺積電今年量產
未來將采用閘極環繞式架構
臺積電于2019 年國際電子元件會議（International Electron Devices Meeting, IEDM）宣布于5 納米技術節點量產擁有高遷移率通道（high mobility channel）之鰭式晶體管[3]。使用高遷移率通道，猶如駕駛跑車，速度更快，使晶體管的效能更佳。
展開 基于富勒烯浮柵層的雙極型柔性突觸晶體管
受到這種有潛力的生物學功能的啟發，具有橫向和縱向導電通道的浮柵存儲晶體管被提出來模擬生物突觸的信號傳遞以及學習過程。然而絕大多數晶體管都是單極型電荷捕獲，同時具有較大的操作電壓以及很高的能耗。因此，開發簡單溶液法制備的低操作電壓的雙極型突觸晶體管不僅能大大減少集成能耗，還能提高突觸權重可調節范圍。
【成果簡介】
深圳大學周曄研究員和韓素婷副教授等在柔性場效應晶體管中第一次采用簡單的溶液法制備的C60和PMMA的混合體系作為浮柵層和隧穿層，系統性研究柔性晶體管在不同形貌下的電學性質，包括窗口，開關比，保持時間以及耐力屬性等等，同時成功模擬了生物突觸的多種學習與記憶功能，對今后有機突觸晶體管的開發有一定的指導和借鑒意義。
相應工作以“Gate-Tunable Synaptic Plasticity through Controlled Polarity of Charge Trapping in Fullerene Composites”為題，發表在Advanced Functional Materials (2018, 1805599)上，共同第一作者為深圳大學高等研究院研究生任意及電子科學與技術學院本科生楊嘉欽。
【圖文導讀】
圖1
柔性晶體管的表征以及電學性能
a.三維柔性晶體管器件示意圖。
b. 器件的橫截面SEM圖像側視圖。
c. 均勻并五苯薄膜的AFM形貌圖。
d. PET基底上不同比例C60和PMMA混合層的吸收光譜。
e. 只包含PMMA的晶體管的轉移特性曲線；插圖是制備的柔性器件圖。
f.器件的輸出特性曲線。
g-i.
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