【科普】晶体管-1

  • 时间:2019-06-11 06:34 作者:zhyuzh3d 来源:zhyuzh3d 阅读:51
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摘要:欢迎关注我的专栏( つ??ω??)つ【人工智能通识】更多相关文章请点击2019年6月专题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 TransistorTransistor,晶体管,最初在1947年,由美国物理学家John Bardeen约翰·巴丁、Walter Bra

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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,前两位因而在1956年取得了诺贝尔物理学奖。

晶体管的功能与继电器和真空管相似,但更增强大。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。假如共价键不稳固,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。相似下图示意(这里没考虑立体结构)。

而元素硼则只有3个电子,假如我们把硼元素和硅元素掺杂(Doping)在一起,那么就会形成少量缺少电子的空穴(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固,也易于导电。

磷元素则有5个电子,假如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,假如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,由于电子带负电),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。

相邻区域周围,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。

但是假如我们额外给它增加一个控制电路,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。

虽然图上分了左右两幅,但实际上并没有先后关系,这几乎是同时发生的。

假如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,假如问是什么支撑了我们的手机、电脑的大规模计算能力,答案一定是这些微小的硅晶体管。

后续我们详情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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