我們的大腦包含大約1000億個稱為神經(jīng)元的細胞 - 讓你思考和記住事物的微小開關(guān)。 計算機 包含數(shù)十億 微型“腦細胞”也是如此。他們被稱為 晶體管 和 它們由硅制成，硅是一種常見的化學(xué)元素，存在于沙子中。 晶體管已經(jīng)發(fā)生了革命性的變化 電子學(xué) 因為他們是第一個 半個多世紀前由約翰·巴丁、沃爾特·布拉坦和 威廉·肖克利。但它們是什么——它們是如何工作的?

　　照片：三條腿的昆蟲?不，電子電路板上的典型晶體管。雖然簡單的電路包含這樣的單個晶體管，但計算機內(nèi)部的復(fù)雜電路也包含微芯片，每個微芯片內(nèi)部可能裝有數(shù)千、數(shù)百萬或數(shù)億個晶體管。(從技術(shù)上講，如果您對更令人討厭的部分感興趣，這是一個 5401B 硅 PNP 放大器晶體管。我稍后會解釋所有這些東西的含義。

　　晶體管實際上有什么作用?

　　照片：近距離觀察 5401B。

　　晶體管非常簡單，而且非常復(fù)雜。讓我們從 簡單的部分。晶體管是一種微型電子元件， 可以做兩種不同的工作。它可以用作 放大器 或開關(guān)：

　　當它作為一個 放大器，它需要 在很小的地方 電流 在一端(一個 輸入電流)并產(chǎn)生更大的電流(輸出) 當前)在另一個。換句話說，它是一種電流助推器。這就進來了 在助聽器之類的東西上非常有用，這是第一件事 人們使用晶體管。助聽器有一個微小的 麥克風 在其中 撿起 聽 起來 從你周圍的世界，把它們變成 波動的電流。這些被饋入晶體管 增強它們并為微小的力量提供動力 揚聲器, 所以你會聽到周圍更響亮的聲音。 晶體管的發(fā)明者之一威廉·肖克利(William Shockley)曾經(jīng)向一名學(xué)生解釋晶體管放大器。 幽默的方式： “如果你拿一捆干草把它綁在 騾子的尾巴，然后劃一根火柴，點燃干草包， 如果你隨后比較此后不久消耗的能量 騾子帶著自己在比賽打擊中消耗的能量， 你會理解放大的概念。

　　晶體管也可以用作 開關(guān).一個 流過晶體管一部分的微小電流可以使晶體管變得更大 電流流過它的另一部分。換句話說，小的 電流在較大的開關(guān)上切換。這基本上是所有計算機芯片的工作方式。為 例如，一個 記憶 芯片 包含數(shù)億甚至數(shù)十億個晶體管， 每個都可以單獨打開或關(guān)閉。由于每個 晶體管可以處于兩種不同的狀態(tài)，它可以 存儲兩個不同的數(shù)字，零和一。擁有數(shù)十億個晶體管，芯片可以存儲數(shù)十億個零和一，并且 幾乎和我們所說的普通數(shù)字和字母(或字符)一樣多。稍后會詳細介紹。

　　緊湊型助聽器是晶體管的首批應(yīng)用之一，其應(yīng)用可以追溯到大約 1950 年代末或 1960 年代。大約一包撲克牌的大小，它被設(shè)計成可以戴在夾克口袋里或放在夾克口袋上。外殼的另一側(cè)有一個麥克風，可以拾取環(huán)境聲音。你可以清楚地看到里面的四個黑色小晶體管，放大這些聲音，然后把它們射到你耳朵里的小揚聲器(底部)。

　　老式機器的偉大之處在于你可以拿 他們分開弄清楚他們是如何工作的。這永遠不會太難，有一個 一點點推搡戳戳，發(fā)現(xiàn)哪個位做了什么以及如何 事情導(dǎo)致了另一個。但電子產(chǎn)品完全不同。這就是全部 關(guān)于使用 電子 控制電力。電子是 分鐘 粒子內(nèi) 原子.它太小了，重量剛好低于 0.0000000000000000000000000000000001公斤!最先進的晶體管工作 通過控制單個電子的運動，因此您可以 想象一下它們有多小。在現(xiàn)代計算機芯片中，大小 一個指甲，你可能會發(fā)現(xiàn)5億之間 和 20 億個獨立的晶體管。沒有機會拆開晶體管來了解它是如何 作品，所以我們必須用理論和想象力來理解它。 首先，如果我們知道晶體管是由什么制成的，它會有所幫助。

　　晶體管是如何制造的?

　　照片：硅晶圓。圖片由 NASA Glenn研究中心(NASA-GRC).

　　晶體管由硅制成，硅是一種在沙子中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素，通常不導(dǎo)電 電(它不允許電子輕易流過它)。 硅是一種 半導(dǎo)體，這意味著它是 也不是真的 導(dǎo)體(類似于 金屬 讓電流流動)也不是 絕緣體(類似 塑膠 停止電流流動)。如果 我們用雜質(zhì)處理硅(這個過程被稱為 摻雜), 我們可以讓它表現(xiàn)得不同 道路。如果我們用化學(xué)元素砷、磷摻雜硅， 或銻，硅獲得一些額外的“自由”電子 - 那些 可以攜帶電流，因此電子會流動 外 更自然。因為電子帶負電荷，硅 這種處理方式稱為 N型 (負面 類型)。我們還可以將硅與其他雜質(zhì)(如硼， 鎵，以及 鋁.以這種方式處理的硅具有較少的那些 “自由”電子，因此附近材料中的電子將傾向于流動 到 它。我們稱之為硅 P型 (正類型)。

　　順便說一下，重要的是要注意n型或p型硅實際上都沒有電荷。 本身：兩者都是電中性的。的確，n型硅具有額外的“自由”電子，可以增加其導(dǎo)電性，而p型硅具有較少的自由電子，這有助于以相反的方式增加其導(dǎo)電性。在每種情況下，額外的電導(dǎo)率都來自添加 中性 (不帶電)雜質(zhì)原子到硅 中性 首先，我們不能憑空制造電荷!更詳細的解釋需要我介紹一個想法，稱為 帶理論，這有點超出本文的范圍。我們需要記住的是，“額外的電子”意味著額外的 自由 電子——可以自由移動并幫助攜帶電流的電子。

　　硅三明治

　　我們現(xiàn)在有兩種不同類型的硅。如果我們把它們放在一起 分層制作P型和N型材料的三明治，我們可以制作 適用于各種不同種類的電子元件 方式。

　　插圖：將n型硅連接到p型硅，你會得到一個n-p結(jié)，這是二極管和晶體管的基礎(chǔ)。

　　假設(shè)我們將一塊n型硅連接到一塊p型硅上 硅并將電觸點放在兩側(cè)。令人興奮且有用 事情開始在 結(jié) 兩者之間 材料。如果我們轉(zhuǎn)身 在電流上，我們可以使電子從結(jié)中流過 N型側(cè)到P型側(cè)，通過電路輸出。這 發(fā)生是因為在 結(jié)從N型側(cè)拉過電子，反之亦然。但 如果 我們反轉(zhuǎn)電流，電子根本不會流動。我們有什么 這里制造被稱為 二極管 (或整流器)。 這是一個電子 僅讓電流沿一個方向流過它的組件。它 如果要將交流(雙向)電流轉(zhuǎn)換為 直流(單向)電流。二極管也可以制造成它們發(fā)出 當電流流過它們時，光。你可能已經(jīng)看過這些 口袋上的發(fā)光二極管 (LED) 計算器 和電子 高保真立體聲設(shè)備上的顯示器。

　　結(jié)型晶體管的工作原理

　　照片：典型的硅 PNP 晶體管(設(shè)計為音頻放大器的 A1048)。

　　現(xiàn)在假設(shè)我們在三明治中使用三層硅 的兩。我們可以做一個p-n-p三明治(用一片n型 硅作為兩片P型之間的填充物)或n-p-n-n 三明治(P型在N型的兩塊板之間)。如果我們 將電觸點連接到三明治的所有三層，我們可以 制造一個可以放大電流或?qū)⑵浯蜷_的組件，或者 關(guān)掉——換句話說，晶體管。讓我們看看它在 n-p-n 晶體管。

　　所以我們知道我們在說什么，讓我們給這三個人起名字 電觸點。我們將兩個聯(lián)系人稱為加入兩個聯(lián)系人 N型硅片 發(fā)射 和 收藏家, 和聯(lián)系人 加入到P型硅中，我們稱之為 基礎(chǔ).當沒有 電流是 流入晶體管，我們知道P型硅缺 電子(此處由小加號顯示，代表正 電荷)和兩塊n型硅有額外的電子 (由小減號顯示，代表負電荷)。

　　另一種看待這個問題的方式是說，雖然 n 型具有 多余的電子，p型有 孔 其中電子 應(yīng)該是。通常，底座上的孔就像屏障一樣，防止任何 從發(fā)射極流向集電極的大量電流，而 晶體管處于“關(guān)閉”狀態(tài)。

　　當電子和空穴開始移動時，晶體管工作 跨越N型和P型硅之間的兩個結(jié)。

　　讓我們 將晶體管連接到一些電源。假設(shè)我們附加一個小 基極的正電壓，使發(fā)射極帶負電，以及 使收集器帶正電。電子從 發(fā)射器進入基極，然后從基極發(fā)射到集電極。和 晶體管切換到其“導(dǎo)通”狀態(tài)：

　　我們在底座上打開的小電流會產(chǎn)生大電流 在發(fā)射器和集電極之間流動。通過轉(zhuǎn)動小輸入 電流轉(zhuǎn)化為大輸出電流，晶體管就像放大器一樣。但 它同時也像一個開關(guān)。當沒有電流 基極，集電極和 發(fā)射。打開基極電流，大電流流過。所以基地 電流打開和關(guān)閉整個晶體管。從技術(shù)上講，這 晶體管的類型稱為 雙 因為 兩種不同種類(或“極性”)的電荷(負電子和 正孔)參與使電流流動。

　　我們也可以通過將晶體管視為一對二極管來理解它。隨著 基極正極和發(fā)射極負極，基極-發(fā)射極結(jié)就像正向偏置 二極管，電子在結(jié)上沿一個方向移動(從左到右 圖)和相反方向的孔(從右到左)。堿基收集器 結(jié)就像一個反向偏置二極管。集電極的正電壓拉動 大多數(shù)電子通過并進入外部電路(盡管一些電子確實與基座上的空穴重新結(jié)合)。

　　場效應(yīng)晶體管 (FET) 的工作原理

　　所有晶體管都通過控制電子的運動來工作，但是 并非所有人都以相同的方式做到這一點。像結(jié)型晶體管一樣，一個 場效應(yīng)管 (場效應(yīng)晶體管)有三種不同的端子，但它們 有名字 源 (類似于發(fā)射器)， 排水 (類似于 收集器)，以及 門 (類似于底座)。在場效應(yīng)管中， 層 n型和p型硅的排列方式略有不同， 涂有金屬和氧化物層。這給了我們一個叫做 場效應(yīng)管 (金屬氧化物半導(dǎo)體領(lǐng)域 效果晶體管)。

　　雖然n型源極和漏極中有額外的電子， 由于孔，它們不能從一個流到另一個 它們之間的P型門。但是，如果我們附加一個積極的 電壓到柵極，在那里產(chǎn)生一個電場，允許 電子在從源極到漏極的細通道中流動。這 “場效應(yīng)”允許電流流動并打開晶體管：

　　為了完整起見，我們可以注意到MOSFET是一個 單極的 晶體管因為只有一種(“極性”) 的電荷參與使其工作。

　　晶體管如何在計算器和計算機中工作?

　　在實踐中，你不需要知道任何這些東西 電子和空穴，除非你要去 以設(shè)計計算機芯片為生!你需要知道的是 晶體管的工作方式類似于放大器或開關(guān)，使用小電流 打開更大的。但還有一件事值得了解： 所有這些如何幫助計算機存儲 信息并做出決定?

　　我們可以把幾個晶體管開關(guān)放在一起來做一些東西 稱為 邏輯門，它比較了幾個 輸入電流，并因此給出不同的輸出。邏輯門讓計算機制造 使用稱為數(shù)學(xué)技術(shù)的非常簡單的決策 布爾代數(shù).你的大腦以同樣的方式做出決定。例如 使用“輸入”(你知道的東西)關(guān)于天氣和你所擁有的東西 你的走廊，你可以做出這樣的決定：“如果下雨了，我 有傘，我去 商店”。這是使用所謂的 AND 的布爾代數(shù)的一個例子 “運算符”(運算符一詞只是一些數(shù)學(xué)術(shù)語 讓事情看起來比實際更復(fù)雜)。你可以制作 與其他運營商做出類似的決定。“如果刮風或下雪， 那我就穿上外套“是 使用 OR 運算符的示例?；蛘咴趺礃印叭绻掠炅?，我 有雨傘或我有外套，然后可以出去”。使用 AND， OR，以及其他稱為 NOR、XOR、NOT 和 NAND， 計算機可以相加或比較二進制數(shù)。 這個想法是 計算機程序：邏輯 使計算機做事的一系列指令。

　　通常，當沒有基極時，結(jié)型晶體管處于“關(guān)閉” 電流，并在基極電流流動時切換到“開”。這意味著它 需要電流來打開或關(guān)閉晶體管。但 像這樣的晶體管可以與邏輯門連接，因此它們的輸出 連接反饋到他們的輸入中。晶體管 然后，即使基極電流被移除，也保持導(dǎo)通。每次一個新的 基礎(chǔ) 電流流動，晶體管“翻轉(zhuǎn)”打開或關(guān)閉。它保留在 那些 穩(wěn)定狀態(tài) (打開或關(guān)閉)直到另一個電流 來了，把它翻轉(zhuǎn)到另一個方向。這種安排 被稱為 人字拖 它變成了一個 晶體管成一個簡單的 存儲零(關(guān)閉時)或 1(關(guān)閉時)的存儲設(shè)備 上)。 人字拖是背后的基本技術(shù) 電腦內(nèi)存 芯片。

　　誰發(fā)明了晶體管?

　　圖稿：點接觸晶體管的原始設(shè)計，如 John Bardeen和Walter Brattain的美國專利(2，524，035)，于1948年6月提交(大約六個月后 最初的發(fā)現(xiàn))并于 1950 年 10 月 3 日授予。這是一個簡單的PN晶體管，帶有 薄的上層P型鍺(黃色)在下層N型鍺(橙色)上。 三個觸點是發(fā)射極(E，紅色)、集電極(C，藍色)和基極(G，綠色)。 您可以在原始專利文件中閱讀更多信息，該原始文獻列在下面的參考文獻中。 作品由美國專利商標局提供。

　　晶體管于1947年在新澤西州的貝爾實驗室發(fā)明 由三位杰出的美國物理學(xué)家撰寫： 約翰·巴丁 (1908–1991), 沃爾特 布拉坦 (1902-1987)，以及 威廉 肖克利 (1910–1989).

　　由肖克利領(lǐng)導(dǎo)的團隊一直試圖 為美國開發(fā)一種新型放大器 電話 系統(tǒng) — 但是什么 他們實際發(fā)明的結(jié)果證明有更廣泛的 應(yīng)用。Bardeen和Brattain制造了第一個實用的晶體管 (稱為點接觸晶體管)，1947 年 12 月 16 日星期二。 盡管肖克利在項目中發(fā)揮了很大作用，但他 對被排除在外感到憤怒和激動。不久之后，在 住在物理會議上的酒店里，他一手想通了 結(jié)型晶體管理論——比結(jié)型晶體管好得多的器件 點接觸晶體管。

　　雖然巴丁退出貝爾實驗室成為一名學(xué)者(他繼續(xù) 享受更多的成功學(xué)習 超導(dǎo)體 在伊利諾伊大學(xué))， Brattain在退休前待了一段時間，成為一名教師。 肖克利成立了自己的晶體管制造公司，并幫助激發(fā)了靈感 現(xiàn)代現(xiàn)象是“硅谷”(繁榮地區(qū)) 加利福尼亞州帕洛阿爾托周圍，電子公司擁有 會眾)。他的兩名員工羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)和戈登·摩爾(Gordon Moore)去了 創(chuàng)立了全球最大的微芯片制造商英特爾。

　　巴丁、布拉坦和肖克利在幾年后短暫重逢 他們分享了世界頂級科學(xué) 獎， 1956年諾貝爾物理學(xué)獎, 因為他們的發(fā)現(xiàn)。他們的故事是 一個引人入勝的故事 智力的才華與小小的嫉妒作斗爭，一切都很好 值得一讀 更多關(guān)于。你可以在書中找到一些關(guān)于它的精彩描述， 下面列出的網(wǎng)站。