晶体管的分类

过去近年，半导体晶体管的发展过程中，先驱科学家和工程师们不断尝试各种器件结构与器件材料，来满足不同领域集成电路特性的需求。产生出各种各样的半导体器件。

半导体本来就抽象、难以捉摸，纷杂的名称和简称也使得半导体更加高深莫测，给非半导体出身的电子行业从业者带来不少的困扰。

晶体管的分类主要可以从两个方面下手理解，分别为器件结构，和器件材料。以下为常见的结构和材料类型。

晶体管的材料和结构互为独立，理论上可自由组合。比如可以设计在硅基的BJT器件，也可以设计在砷化镓基的BJT器件。

对一个器件的准确描述，应该将材料与器件种类同时说明，比如对于5G手机射频PA中使用的HBT器件，准确名称应该是GaAsHBT器件。不过由于大家平时工作中的约定俗成，叫法经常加以简化。

比如在手机射频领域，大家一般用HBT，或者GaAs来简称GaAsHBT；在电源控制领域，大家用SiC来简称SiCMOSFET，用GaN来简称GaNFET类器件。这种简称在某个细分行业领域是有效的，但在跨出本行业交流时可能会引起误解，必要时需要加以注意。

以结构分类半导体

从结构上区分，半导体器件主要分为BJT和FET两种类型。

BJT的全称是是BipolarJunctionTransistor，双极型晶体管。FET的全称是FieldEffectTransistor，场效应晶体管。二者都可以实现晶体管的放大特性。

BJT器件

基本结构

BJT器件由两个背靠背的p-n结构成。由于用于电流传输的p-n结包含电子与空穴两种载流子，所以BJT器件取名为“Bipolar（双向/双极）”JunctionTransistor。

虽然BJT由两个p-n结构成，但不是任意两个背靠背的p-n结二极管都可以构成BJT。BJT器件对于各区的掺杂浓度以及厚度有着精确的要求。BJT器件中发射极需要重掺杂，基极需要较重掺杂，并且宽度极薄，以使大量的电子与空穴可以穿越。

图：BJT器件的基本结构（npn管为例）

BJT器件制备

在集成电路制备中，BJT器件先通过在n型外延中形成p型扩散，形成基极；再进行n型扩散，形成发射极，从而实现紧邻的两个p-n结。

通过图中可以看到，在BJT器件中，电流在垂直方向进行流动，所以集成电路中的BJT器件是垂直器件。

图：BJT器件截面和简化模型

HBT：一种特殊的BJT器件

HBT的全称是HeteroJunctionBipolarTransistor，中文名为异质结双极型晶体管。HBT是一种特殊的BJT器件。

HBT对普通BJT的改进是在发射极和基极之间采用不同的半导体材料，形成异质p-n结，来抵挡住基极载流子向发射极的注入，这样就可以使发射极中更多的载流子流入集电区，从而提高集电极到发射极之间的电流。外围观察到的现象是基极的电流变小了，集电极电流变大了，基极电流对集电极电流有了更强的控制能力。

常见的HBT器件有GaAsHBT器件、SiGeHBT器件。下图为典型的GaAsHBT器件横截面图。

图：GaAsHBT器件截面和简化模型

AlGaAs/GaAs是研究最广泛，应用最广泛的异质结系统。5G射频PA中所使用的GaAsHBT，就是此种类型的异质结HBT。在AlGaAs/GaAs异质结HBT中，基极p+GaAs层与发射极n+GaAs中间，注入了n型Al0.Ga0.7As发射区薄膜，从而形成了基极与发射极之间的异质p-n结。

外延层：HBT器件的关键材料

在HBT器件的结构中，可以看到HBT器件截面由外延层、衬底两部分构成。

在集成电路中，晶圆制备包含衬底制备和外延工艺两大环节。衬底（Substrate）是由半导体单晶材料制造的晶圆原片，衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进入外延工艺，生长完外延层后，再进行半导体器件制造。

外延（Epitaxy，简称Epi）是指在单晶衬底上生长一层新单晶的过程，由于是在衬底上延伸生长，所以被称为“外延”。外延层一般只有几微米厚，外延出来的新单晶可以和衬底是同一材料，也可以是不同材料。

外延工艺解决了器件只能使用一种衬底材料的问题。使器件不同区域使用不同材料成为可能，极大地增加了器件设计的灵活性。对于HBT器件，由于需要设计AlGaAs/GaAs的异质半导体p-n结，就需要使用外延层工艺将不同材料及掺杂的半导体材料层设计出来。

通过不同外延层的设计，还可以对HBT器件的特性进行调整。HBT器件的性能依赖于器件中发射极、基极以及集电极的厚度及掺杂浓度曲线，这些数据都是在外延层的设计中进行调整。

在HBT生产产业链运行中，一般由衬底厂商生产出GaAs衬底，再交由外延厂商生长外延层，最后交由代工厂生产出HBT器件。由于外延层材料中半导体器件的材料参数已确定，所以外延层的生长是HBT器件生产的关键步骤。

图：GaAsHBT器件产业链流程

FET器件

FET器件的全称是FiledEffectTransistor，中文名是场效应晶体管。晶体管名称前面的FiledEffect（场效应）指的是用电场（ElectricFiled）来控制半导体内电流流动的器件。

FET的思路非常简单直接，在一个经过掺杂的半导体材料（如n型）两边，加上另一种掺杂的半导体材料（p型），通过控制p型掺杂上的电压，就可以控制n型沟道的夹断或者导通，就达到了控制电流的目的。FET的工作原理，更加像水龙头了。

在FET器件中，由于参与导电的只有一种载流子（如n型沟道FET器件中的电子），这与BJT器件有电子与空穴均参与导电有很大的不同。所以最早的FET器件又叫UnipolarTransistor（单极晶体管），以强调这种单一载流子导电特性。

在n沟道FET器件中，有三个极，分别是提供电子的源极（Source，S极），流出电子的漏极（Drain，D极），以及控制沟道的栅极（Gate，G极）。

图：FET器件的原理示意

相比于BJT器件复杂的p-n结运行理论，FET器件的概念简单直接，“沟道”和“夹断”，非常符合人们的直觉，所以FET的理念在BJT商用之前就被提出来。

在年J.E.Lilenfeld申报的专利文件中，最早提出了FET的理念[1]。比年贝尔实验室的肖克利团队发明BJT器件还要早21年。但由于当时工艺所限，FET器件只存在了前期科学家们脑中的概念之中。一直到年，得益于工艺进步，FET器件才被真正生产出来。第一个被生产出来的FET器件是JFET（JunctionFET）器件。

JFET

JFET是首个被正式生产出来的FET器件。因为名称中有“Junction，结“，所以JFET的工作中也利用到了p-n结特性。

图：JFET的构造及工作原理

JFET由肖克利团队于2年首次提出并加以分析。在JFET中，所加的栅电压改变了p-n结耗尽层宽度，进而改变了源、漏极之间的电导。

经过多年工艺进步，JFET的结构也有了变化，下图为现代的JFET结构，虽然在物理外观与最早的JFET有些不同，但仍然是利用电场控制栅极p-n结，等效于最早的肖克利结构。

图：现代的外延层JFET器件结构

MESFET

MESFET的是Metal-SemiconductorFET的缩写，中文名是金属-半导体接触场效应晶体管。MESFET是利用金属与半导体接触的特性开发的晶体管。JFET与MESFET的结构比较如下。

图：JFET与MESFET的结构对比

MESFET的工作原理与JFET类似，唯一不同点是用于控制沟道夹断与否的并不再是p-n结，而是金属-半导体结（简称金-半结）。

金属-半导体接触是在半导体理论研究中非常重要的研究，在许多半导体器件中都有广泛的应用。金属-半导体接触最早始于年半导体物理理论的建立时期，年，Schottky（肖特基）完成了金属-半导体势垒理论，完成了理论体系。于是，形成肖特基势垒的金属-半导体接触又叫肖特基接触，由此开发的二极管叫肖特基二极管。除了肖特基接触外，金属与重掺杂的半导体接触还可以形成欧姆接触，这是所有半导体器件流入和流出所必须的。

商用产品中被广泛使用的MESFET器件是GaAs基MESFET，得益于GaAs的电子输运特性，GaAsMESFET有良好的射频性能，是现在单片微波集成电路（MMIC）的核心。

HEMT及pHEMT

HEMT的全称是HighElectronMobilityTransistor（高电子迁移率晶体管）。HEMT最早由日本Fujitsu公司于年发明。HEMT器件的想法是，利用不同半导体材料异质结的特性，在接合面上聚集大量的电子，形成一种名叫“二维电子气（2DEG）”的高移动层，达到更好的器件性能。HEMT器件在高频毫米波领域、低噪声领域有着不可替代的应用。

因为利用到了异质结，所以HEMT又被称为异质结FET（HeterostructureFET，HFET）。下图为HEMT器件的典型架构。

图：HEMT器件的典型结构

通常情况下，异质结接触表面会存在晶格失配，这个失配会影响到器件性能，也影响到更大带隙电压材料的选取。于是就有了一种改进型的HEMT器件：pHEMT。

pHEMT器件的全称是PseudomorphicHEMT。Psedomorphic的意思是假的、赝配的，pHEMT器件在异质结转换时加入薄的“赝晶层”，用于将两边的晶格拉向匹配。

图：HEMT与pHEMT器件结构示意图

由于出色的射频性能，pHEMT器件在高性能射频微波领域应用广泛。尤其是GaAspHEMT器件，是微波低噪声放大器、微波毫米波电路的重要半导体工艺。

与HBT器件相同，HEMT及pHEMT器件的特性强烈依赖于材料特性，在HEMT/pHEMT产业链中，同样需要外延层厂商生产出相应的材料外延，再由代工厂进行器件加工。

MOSFET

MOSFET结构毫无疑问是当今集成电路领域最为核心的结构。

MOSFET缩写自Metal-Oxide-SemiconductorFET（金属-氧化物-半导体FET），MOSFET是MIS（Metal-Insulator-Semiconductor，金属-绝缘层-半导体）器件的一种特殊结构。下图为典型MOS结构，以及MOSFET的示意图。

图：MOS结构及MOSFET器件结构

在MOSFET之前，已经有了平面结构的MESFET器件与垂直结构的BJT器件，但这两种电路都无法适应于大规模电路的设计：

垂直结构的BJT器件无法做到有效集成；BJT器件的工作机理使得器件无法有效关断或打开；Base端的电流也使BJT器件有较大的工作电流

MESFET虽然是平面器件，解决了集成的问题，但MESFET器件所使用的金属-半导体结会钳位住过大Gate电压，造成Vg只能在一定范围内使用

于是，MOSFET器件被发明了出来。

现代MOSFET器件的提出在年，Ligenza等人提出了基于Si-SiO2结构的MOSFET器件，改变了MESFET的一系列缺点，适合大规模集成，适合尺寸等比例缩小。自此，半导体器件再也不是一个个单独的晶体管，大规模集成电路的序幕就此拉开。

基于MOSFET器件的半导体结构多种多样，主要有CMOS、SOI、Fin-FET等。

CMOS

CMOS电路的发明，使集成电路进入到了“等比缩小”的快车道，是人类集成电路史上的一大飞跃。

CMOS的全称是Complementarymetal–oxide–semiconductor（互补型MOS），“互补”的意思是电路中不止由nMOS，还有pMOS。两种MOS器件结合进行设计，就可以完美完成数字集成电路中的逻辑电路设计。

虽然也可以用BJT器件设计类似TTL（Transistor-TransistorLogic），但CMOS逻辑的优点在于静态功耗低。如下图简单反向器为例，在同一时刻，通路中的nMOS与pMOS只有一个器件导通，理论电路静态功耗为0。

图：CMOS反向器工作原理说明

CMOS器件在年于仙童公司被发明出来[]，随后被应用于存储、处理器等数字电路设计中。

图：CMOS器件的基本结构

CMOS器件被发明之后，人们发现这项技术与数字电路技术相得益彰、珠联璧合。数字电路需要的是小尺寸、低功耗的基本逻辑单元，而CMOS器件刚好可以满足这个需求。于是，人类不断改进半导体工艺，使CMOS器件尺寸不断缩小，以使数字电路的能力越来越强大。

5年，仙童公司的GordonMoore（戈登·摩尔）在ElectronicMagazine杂志中发表了一篇简短的文章，预测5年到年期间：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半[4]。

让摩尔有信以做出这种预测的，正是因为对CMOS技术的期待。

图：戈登·摩尔在5年提出的“摩尔定律“

不过，让戈登·摩尔没想到的是，摩尔定律有效性绝不是在他预期的5-年的10年之内，而是支撑整个集成电路行业发展了近60年。在这60年里，处理器上的晶体管数目从几百个增加到了几十亿甚至几百亿个，CMOS器件特征尺寸由几毫米缩小到了几纳米。在高通发布的8系列智能手机平台芯片里，采用4nm工艺，集成了近亿个晶体管。小小的集成电路，有了无与伦比的强大功能。

图：高通骁龙8系列手机平台芯片，采用TSMC4nm工艺设计

SOI

SOI的全称是SilicononInsulator，绝缘体上硅。是指在带有绝缘层的硅衬底上生产半导体器件的技术。SOI技术可以减小衬底损耗对器件的影响，因此有较好的器件特性。SOI技术生产的半导体器件如下图所示。

图：SOI器件基本结构

Fin-FET

Fin-FET中文名称是鳍式场效应晶体管，根据其形状像鱼鳍来命名。是在摩尔定律的推动下，为使器件尺寸不断减小，所发明的一种器件结构。

在Fin-FET发明之前，随着摩尔定律使器件尺寸不断减小，原来平面结构的栅极已经没办法控制住器件的沟道，器件漏电流明显。于是，加州大学伯克利分校的胡正明教授于年提出Fin-FET结构，这种结构将栅极由平面结构升级成鱼鳍状的三维结构，于是形成了更好的对沟道的控制。

图：从平面CMOSFET，至Fin-FET

目前，TSMC、Intel、三星等均采用Fin-FET进行先进CMOS工艺的设计。