【科普】晶体管-1

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。

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。

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。

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） 。

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。

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。

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。

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。

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。

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