四张图看懂晶体管现状

在过去的 75 年里，晶体管技术最明显的变化就是我们能制造多少。正如这些图表所示，减小设备的尺寸是一项巨大的努力，而且非常成功。但尺寸并不是工程师一直在改进的唯一特征。

1947年，只有一个晶体管。根据 TechInsight 的预测，半导体行业今年有望生产近 20 亿万亿 (1021) 台设备。这比 2017 年之前所有年份累计制造的晶体管数量还要多。在这个几乎无法想象的数字背后，是晶体管价格的持续下降，因为工程师们已经学会将越来越多的晶体管集成到同一硅片区域。

缩小硅平面二维空间中的晶体管取得了巨大的成功：自 1971 年以来，逻辑电路中的晶体管密度增加了 600,000 多倍。缩小晶体管尺寸需要使用更短波长的光，例如极紫外光，以及其他光刻技巧可以缩小晶体管栅极之间和金属互连之间的空间。展望未来，它是第三维度，晶体管将在另一个维度上构建，这很重要。这种趋势在闪存领域已有十多年的历史，但在逻辑领域仍处于未来。

也许所有这些努力的最高成就是能够将数百万甚至数十亿个晶体管集成到地球上一些最复杂的系统中：CPU。我们从下图看一下晶体管的发展历程。

除了使它们变得小巧和数量众多之外，工程师们还致力于提高设备的其他品质。以下是晶体管在过去 75 年中发展的一小部分示例：

伊利诺伊州的研究人员使用超薄硅膜、镁导体和氧化镁绝缘体的组合开发了可溶解在体内的电路。在水中五分钟足以将第一代产品变成糊状。但最近研究人员使用了一种更耐用的版本来制造临时心脏起搏器，当它们消失时会释放一种抗炎药物。

第一个晶体管是为无线电频率而制造的，但现在有一些设备的工作频率约为这些频率的十亿倍。韩国和日本的工程师报告称发明了一种最高频率可达 738 GHz 的砷化铟镓高电子迁移率晶体管 (HEMT)。Northrop Grumman 的工程师为了寻求原始速度，制造了一个超过 1 太赫兹的 HEMT。

今天（和昨天）的晶体管取决于块状 (3D) 材料的半导体特性。明天的设备可能依赖二维半导体，例如二硫化钼和二硫化钨。研究人员说，这些晶体管可能内置在处理器硅上方的互连层中。所以 2D 半导体可以帮助产生 3D 处理器。

世界不是平的，晶体管需要运行的地方也不是平的。韩国工程师最近使用砷化铟镓在塑料上制造了高性能逻辑晶体管，弯曲半径仅为 4 毫米时几乎不会受到影响。伊利诺伊州和英格兰的工程师已经制造出既经济又可弯曲的微控制器。

当您需要将计算隐藏在众目睽睽之下时，请使用透明晶体管。中国福州的研究人员最近使用有机半导体薄膜晶体管制作了一种透明的闪存模拟物。日本和马来西亚的研究人员生产了能够承受 1,000 伏以上电压的透明金刚石装置。

NAND 闪存单元可以在单个设备中存储多个位。今天市场上的那些存储每个 3 或 4 位。Kioxia Corp. 的研究人员构建了一个改进的 NAND 闪存单元，并将其浸泡在 77 开尔文的液氮中。一个超冷晶体管最多可以存储7 位数据，或 128 个不同的值。

2018 年，加拿大的工程师使用一种算法生成了所有可能的独特功能性基本电路，这些电路只需使用两个金属氧化物场效应晶体管即可制作。电路总数达到惊人的582。将范围扩大到三个晶体管，得到了 56,280 个电路，其中包括几个以前不为工程人员所知的放大器。

一些晶体管可以承受超凡脱俗的惩罚。NASA 格伦研究中心构建了200 个晶体管碳化硅 IC，并在模拟金星表面环境的腔室中运行了 60 天——460 °C 的高温、行星探测器压碎的 9.3 兆帕压力以及地狱般的行星腐蚀性气氛。

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