半导体晶体管是现代计算机芯片的关键部分, 由它来实现真正的计算功能.
晶体管 Transistor
Transistor, 晶体管, 最初在 1947 年, 由美国物理学家 John Bardeen 约翰. 巴丁, Walter Brattain 沃尔特. 布喇顿和 William Shockley 威廉. 肖克利所发明, 前两位因此在 1956 年获得了诺贝尔物理学奖.
晶体管的功能与继电器和真空管类似, 但更加强大. 它可以实现电流的开关, 放大, 稳压等功能, 而且更易制造, 体积也更小.
晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一, 可能是二十世纪最重要的发明, 它让收音机, 计算器, 电脑, 以及相关电子产品变得更小, 更便宜.
半导体 Semiconductor
物体是由分子和原子构成的, 原子中包含带有负电的电子, 物体被接上电源之后, 这些电子吸收能量就变得活跃起来.
原子之间经常连接在一起, 共同使用外层的电子, 形成共价键. 如果共价键不稳定, 那么电子就很容易吸收能量后, 从共价键状态 (Valence Band 价电带) 跃升成为易于流动的自由状态(进入 Conduction Band 传导带), 这样的物体就导电性强, 否则就导电性弱, 而半导体就是介于两者之间.
硅和掺杂
每个硅原子有 4 个电子, 原子互相结合, 相邻的两个电子形成共价键. 类似下图示意(这里没考虑立体结构).
而元素硼则只有 3 个电子, 如果我们把硼元素和硅元素掺杂 (Doping) 在一起, 那么就会形成一些缺少电子的空穴(holes).
这些空穴很容易把边上的电子吸引过来填补自身的位置, 但也形成新的空穴. 这种情况让共价键变得不稳定, 也易于导电.
磷元素则有 5 个电子, 如果把磷和硅掺杂在一起, 则形成相反的情况, 多余的一个电子可以比较自由的移动, 如果遇到空穴则会直接占领.
这种掺磷的情况导致电子增多, 我们叫做 N-Dope(Negative 负掺杂, 因为电子带负电), 而把掺硼形成空穴的情况叫做 P-Dope(Positive 正掺杂).
二极管 Diode
我们把 N-Dope 和 P-Dope 放在一起, 就会形成下面的情况.
相邻区域附近, P-Dope 的电子会漂游到 N-Dope 一侧的空穴中. 这就在交界处形成落差, 左边电子偏多呈负电, 右边电子偏少呈正电, 我们叫做 Barrier Potential 势垒电位.
左不通电, 右通电
存在势垒电位的物体, 接通电源的时候, 只有在正负极匹配的情况下才能形成电流, 否则交界处将仿佛形成壁垒一样让电流无法跨越.
双极性晶体管 BJT
Bipolar Junction Transistor, 双极性晶体管, 其实就是 N-P-N 或者 P-N-P 结构的半导体.
BJT 结构
这样的物体接电源无论正反都不能导电.
但是如果我们额外给它添加一个控制电路, 情况就会不同, 如下图所示.
左上建立了一个蓝色线条回路, 参照前面二极管的图可以知道, 这个回路将形成电流. 蓝色箭头的电流将打破原有的势垒电位, 让下部分整个黑色回路形成电流.
尽管图上分了左右两幅, 但实际上并没有先后关系, 这几乎是同时发生的.
如果我们把蓝色部分视作控制回路, 那么这本质是就构成了一个继电器, 或者是真空管. 我们可以在低压低供电的蓝色控制回路上安装一个开关, 用来控制下面的高压电路.
晶体管相对于真空管有着众多的优势, 它不需要像个小灯泡一样一直保持负极加热激发状态; 它体积小, 结构简单, 易于大批量生产. 实际上我们现在的手机芯片中都包含了数十亿个纳米级的晶体管, 如果问是什么支撑了我们的手机, 电脑的大规模计算能力, 答案肯定是这些微小的硅晶体管.
后续我们介绍如何利用晶体管建造声音放大器, 以及构造最简单的计算机.
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