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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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