電晶體是半導體元件的基本元素，以微弱的電壓讓較大的電流導通／關斷，扮演開關與放大器的角色。自1947年發明以來，隨著製造技術進步，每1顆晶片上的電晶體數量已達數百億個以上，支撐著智慧型手機與資料中心。目前主流是MOSFET（金屬氧化物半導體場效電晶體），最先進製程則採用FinFET或GAA（Gate-All-Around）奈米片結構。
本文重點
MOSFET的動作原理
MOSFET由源極、汲極、閘極3個端子構成。閘極電極與矽基板之間夾著SiO₂等閘極絕緣膜，對閘極施加電壓時，絕緣膜下方的矽表面會形成反轉層（通道），使源極與汲極之間有電流流動。降低閘極電壓，電流就會停止——這就是它作為「開關」的機制。結合N型MOSFET與P型MOSFET的CMOS電路，是現代數位邏輯的基礎。
FinFET與GAA——突破微縮瓶頸的結構革新
當通道長度縮小到10nm以下，閘極難以控制電流的「短通道效應」就會浮現。解決這個問題的是FinFET結構：將矽豎立成鰭片狀，由閘極從3個方向包覆。在微縮更進一步的3nm以後，則採用閘極完全包覆矽奈米片的GAA（Gate-All-Around）結構。GAA的電流控制效率高，能比FinFET更抑制功耗，同時實現高效能。三星（Samsung）於3nm製程、台積電（TSMC）於2nm（N2）製程導入GAA（奈米片電晶體）。
什麼是積體電路（IC）
積體電路（IC：Integrated Circuit）是將大量電晶體、電阻與導線整合在一片矽基板（晶片）上的電子電路。1958年由傑克・基爾比（Jack Kilby）發明，現在1顆晶片上可搭載數十億～數百億個電晶體。依用途可分為CPU、GPU、記憶體、類比IC等，設計（無晶圓廠）與製造（晶圓代工）分工的「無晶圓廠模式」是主流。台積電與三星作為晶圓代工廠，製造全球最先進的晶片。
電晶體與半導體製程的關係
在晶圓上製作電晶體的步驟稱為「前段製程」。以曝光機繪製圖形，用蝕刻設備去除不需要的部分，再以薄膜沉積設備堆疊閘極絕緣膜與金屬導線。1顆晶片光是曝光就需要數十～百層以上的疊對（堆疊），各步驟的精度直接影響電晶體效能。到了3nm以下，透過檢測・量測設備進行製程管控也更加重要。