我们的大脑包含大约1000亿个称为神经元的细胞 - 让你思考和记住事物的微小开关。 计算机 包含数十亿 微型“脑细胞”也是如此。他们被称为 晶体管 和 它们由硅制成，硅是一种常见的化学元素，存在于沙子中。 晶体管已经发生了革命性的变化 电子学 因为他们是第一个 半个多世纪前由约翰·巴丁、沃尔特·布拉坦和 威廉·肖克利。但它们是什么——它们是如何工作的?

　　照片：三条腿的昆虫?不，电子电路板上的典型晶体管。虽然简单的电路包含这样的单个晶体管，但计算机内部的复杂电路也包含微芯片，每个微芯片内部可能装有数千、数百万或数亿个晶体管。(从技术上讲，如果您对更令人讨厌的部分感兴趣，这是一个 5401B 硅 PNP 放大器晶体管。我稍后会解释所有这些东西的含义。

　　晶体管实际上有什么作用?

　　照片：近距离观察 5401B。

　　晶体管非常简单，而且非常复杂。让我们从 简单的部分。晶体管是一种微型电子元件， 可以做两种不同的工作。它可以用作 放大器 或开关：

　　当它作为一个 放大器，它需要 在很小的地方 电流 在一端(一个 输入电流)并产生更大的电流(输出) 当前)在另一个。换句话说，它是一种电流助推器。这就进来了 在助听器之类的东西上非常有用，这是第一件事 人们使用晶体管。助听器有一个微小的 麦克风 在其中 捡起 听 起来 从你周围的世界，把它们变成 波动的电流。这些被馈入晶体管 增强它们并为微小的力量提供动力 扬声器, 所以你会听到周围更响亮的声音。 晶体管的发明者之一威廉·肖克利(William Shockley)曾经向一名学生解释晶体管放大器。 幽默的方式： “如果你拿一捆干草把它绑在 骡子的尾巴，然后划一根火柴，点燃干草包， 如果你随后比较此后不久消耗的能量 骡子带着自己在比赛打击中消耗的能量， 你会理解放大的概念。

　　晶体管也可以用作 开关.一个 流过晶体管一部分的微小电流可以使晶体管变得更大 电流流过它的另一部分。换句话说，小的 电流在较大的开关上切换。这基本上是所有计算机芯片的工作方式。为 例如，一个 记忆 芯片 包含数亿甚至数十亿个晶体管， 每个都可以单独打开或关闭。由于每个 晶体管可以处于两种不同的状态，它可以 存储两个不同的数字，零和一。拥有数十亿个晶体管，芯片可以存储数十亿个零和一，并且 几乎和我们所说的普通数字和字母(或字符)一样多。稍后会详细介绍。

　　紧凑型助听器是晶体管的首批应用之一，其应用可以追溯到大约 1950 年代末或 1960 年代。大约一包扑克牌的大小，它被设计成可以戴在夹克口袋里或放在夹克口袋上。外壳的另一侧有一个麦克风，可以拾取环境声音。你可以清楚地看到里面的四个黑色小晶体管，放大这些声音，然后把它们射到你耳朵里的小扬声器(底部)。

　　老式机器的伟大之处在于你可以拿 他们分开弄清楚他们是如何工作的。这永远不会太难，有一个 一点点推搡戳戳，发现哪个位做了什么以及如何 事情导致了另一个。但电子产品完全不同。这就是全部 关于使用 电子 控制电力。电子是 分钟 粒子内 原子.它太小了，重量刚好低于 0.0000000000000000000000000000000001公斤!最先进的晶体管工作 通过控制单个电子的运动，因此您可以 想象一下它们有多小。在现代计算机芯片中，大小 一个指甲，你可能会发现5亿之间 和 20 亿个独立的晶体管。没有机会拆开晶体管来了解它是如何 作品，所以我们必须用理论和想象力来理解它。 首先，如果我们知道晶体管是由什么制成的，它会有所帮助。

　　晶体管是如何制造的?

　　照片：硅晶圆。图片由 NASA Glenn研究中心(NASA-GRC).

　　晶体管由硅制成，硅是一种在沙子中发现的化学元素，通常不导电 电(它不允许电子轻易流过它)。 硅是一种 半导体，这意味着它是 也不是真的 导体(类似于 金属 让电流流动)也不是 绝缘体(类似 塑胶 停止电流流动)。如果 我们用杂质处理硅(这个过程被称为 掺杂), 我们可以让它表现得不同 道路。如果我们用化学元素砷、磷掺杂硅， 或锑，硅获得一些额外的“自由”电子 - 那些 可以携带电流，因此电子会流动 外 更自然。因为电子带负电荷，硅 这种处理方式称为 N型 (负面 类型)。我们还可以将硅与其他杂质(如硼， 镓，以及 铝.以这种方式处理的硅具有较少的那些 “自由”电子，因此附近材料中的电子将倾向于流动 到 它。我们称之为硅 P型 (正类型)。

　　顺便说一下，重要的是要注意n型或p型硅实际上都没有电荷。 本身：两者都是电中性的。的确，n型硅具有额外的“自由”电子，可以增加其导电性，而p型硅具有较少的自由电子，这有助于以相反的方式增加其导电性。在每种情况下，额外的电导率都来自添加 中性 (不带电)杂质原子到硅 中性 首先，我们不能凭空制造电荷!更详细的解释需要我介绍一个想法，称为 带理论，这有点超出本文的范围。我们需要记住的是，“额外的电子”意味着额外的 自由 电子——可以自由移动并帮助携带电流的电子。

　　硅三明治

　　我们现在有两种不同类型的硅。如果我们把它们放在一起 分层制作P型和N型材料的三明治，我们可以制作 适用于各种不同种类的电子元件 方式。

　　插图：将n型硅连接到p型硅，你会得到一个n-p结，这是二极管和晶体管的基础。

　　假设我们将一块n型硅连接到一块p型硅上 硅并将电触点放在两侧。令人兴奋且有用 事情开始在 结 两者之间 材料。如果我们转身 在电流上，我们可以使电子从结中流过 N型侧到P型侧，通过电路输出。这 发生是因为在 结从N型侧拉过电子，反之亦然。但 如果 我们反转电流，电子根本不会流动。我们有什么 这里制造被称为 二极管 (或整流器)。 这是一个电子 仅让电流沿一个方向流过它的组件。它 如果要将交流(双向)电流转换为 直流(单向)电流。二极管也可以制造成它们发出 当电流流过它们时，光。你可能已经看过这些 口袋上的发光二极管 (LED) 计算器 和电子 高保真立体声设备上的显示器。

　　结型晶体管的工作原理

　　照片：典型的硅 PNP 晶体管(设计为音频放大器的 A1048)。

　　现在假设我们在三明治中使用三层硅 的两。我们可以做一个p-n-p三明治(用一片n型 硅作为两片P型之间的填充物)或n-p-n-n 三明治(P型在N型的两块板之间)。如果我们 将电触点连接到三明治的所有三层，我们可以 制造一个可以放大电流或将其打开的组件，或者 关掉——换句话说，晶体管。让我们看看它在 n-p-n 晶体管。

　　所以我们知道我们在说什么，让我们给这三个人起名字 电触点。我们将两个联系人称为加入两个联系人 N型硅片 发射 和 收藏家, 和联系人 加入到P型硅中，我们称之为 基础.当没有 电流是 流入晶体管，我们知道P型硅缺 电子(此处由小加号显示，代表正 电荷)和两块n型硅有额外的电子 (由小减号显示，代表负电荷)。

　　另一种看待这个问题的方式是说，虽然 n 型具有 多余的电子，p型有 孔 其中电子 应该是。通常，底座上的孔就像屏障一样，防止任何 从发射极流向集电极的大量电流，而 晶体管处于“关闭”状态。

　　当电子和空穴开始移动时，晶体管工作 跨越N型和P型硅之间的两个结。

　　让我们 将晶体管连接到一些电源。假设我们附加一个小 基极的正电压，使发射极带负电，以及 使收集器带正电。电子从 发射器进入基极，然后从基极发射到集电极。和 晶体管切换到其“导通”状态：

　　我们在底座上打开的小电流会产生大电流 在发射器和集电极之间流动。通过转动小输入 电流转化为大输出电流，晶体管就像放大器一样。但 它同时也像一个开关。当没有电流 基极，集电极和 发射。打开基极电流，大电流流过。所以基地 电流打开和关闭整个晶体管。从技术上讲，这 晶体管的类型称为 双 因为 两种不同种类(或“极性”)的电荷(负电子和 正孔)参与使电流流动。

　　我们也可以通过将晶体管视为一对二极管来理解它。随着 基极正极和发射极负极，基极-发射极结就像正向偏置 二极管，电子在结上沿一个方向移动(从左到右 图)和相反方向的孔(从右到左)。碱基收集器 结就像一个反向偏置二极管。集电极的正电压拉动 大多数电子通过并进入外部电路(尽管一些电子确实与基座上的空穴重新结合)。

　　场效应晶体管 (FET) 的工作原理

　　所有晶体管都通过控制电子的运动来工作，但是 并非所有人都以相同的方式做到这一点。像结型晶体管一样，一个 场效应管 (场效应晶体管)有三种不同的端子，但它们 有名字 源 (类似于发射器)， 排水 (类似于 收集器)，以及 门 (类似于底座)。在场效应管中， 层 n型和p型硅的排列方式略有不同， 涂有金属和氧化物层。这给了我们一个叫做 场效应管 (金属氧化物半导体领域 效果晶体管)。

　　虽然n型源极和漏极中有额外的电子， 由于孔，它们不能从一个流到另一个 它们之间的P型门。但是，如果我们附加一个积极的 电压到栅极，在那里产生一个电场，允许 电子在从源极到漏极的细通道中流动。这 “场效应”允许电流流动并打开晶体管：

　　为了完整起见，我们可以注意到MOSFET是一个 单极的 晶体管因为只有一种(“极性”) 的电荷参与使其工作。

　　晶体管如何在计算器和计算机中工作?

　　在实践中，你不需要知道任何这些东西 电子和空穴，除非你要去 以设计计算机芯片为生!你需要知道的是 晶体管的工作方式类似于放大器或开关，使用小电流 打开更大的。但还有一件事值得了解： 所有这些如何帮助计算机存储 信息并做出决定?

　　我们可以把几个晶体管开关放在一起来做一些东西 称为 逻辑门，它比较了几个 输入电流，并因此给出不同的输出。逻辑门让计算机制造 使用称为数学技术的非常简单的决策 布尔代数.你的大脑以同样的方式做出决定。例如 使用“输入”(你知道的东西)关于天气和你所拥有的东西 你的走廊，你可以做出这样的决定：“如果下雨了，我 有伞，我去 商店”。这是使用所谓的 AND 的布尔代数的一个例子 “运算符”(运算符一词只是一些数学术语 让事情看起来比实际更复杂)。你可以制作 与其他运营商做出类似的决定。“如果刮风或下雪， 那我就穿上外套“是 使用 OR 运算符的示例。或者怎么样“如果下雨了，我 有雨伞或我有外套，然后可以出去”。使用 AND， OR，以及其他称为 NOR、XOR、NOT 和 NAND， 计算机可以相加或比较二进制数。 这个想法是 计算机程序：逻辑 使计算机做事的一系列指令。

　　通常，当没有基极时，结型晶体管处于“关闭” 电流，并在基极电流流动时切换到“开”。这意味着它 需要电流来打开或关闭晶体管。但 像这样的晶体管可以与逻辑门连接，因此它们的输出 连接反馈到他们的输入中。晶体管 然后，即使基极电流被移除，也保持导通。每次一个新的 基础 电流流动，晶体管“翻转”打开或关闭。它保留在 那些 稳定状态 (打开或关闭)直到另一个电流 来了，把它翻转到另一个方向。这种安排 被称为 人字拖 它变成了一个 晶体管成一个简单的 存储零(关闭时)或 1(关闭时)的存储设备 上)。 人字拖是背后的基本技术 电脑内存 芯片。

　　谁发明了晶体管?

　　图稿：点接触晶体管的原始设计，如 John Bardeen和Walter Brattain的美国专利(2，524，035)，于1948年6月提交(大约六个月后 最初的发现)并于 1950 年 10 月 3 日授予。这是一个简单的PN晶体管，带有 薄的上层P型锗(黄色)在下层N型锗(橙色)上。 三个触点是发射极(E，红色)、集电极(C，蓝色)和基极(G，绿色)。 您可以在原始专利文件中阅读更多信息，该原始文献列在下面的参考文献中。 作品由美国专利商标局提供。

　　晶体管于1947年在新泽西州的贝尔实验室发明 由三位杰出的美国物理学家撰写： 约翰·巴丁 (1908–1991), 沃尔特 布拉坦 (1902-1987)，以及 威廉 肖克利 (1910–1989).

　　由肖克利领导的团队一直试图 为美国开发一种新型放大器 电话 系统 — 但是什么 他们实际发明的结果证明有更广泛的 应用。Bardeen和Brattain制造了第一个实用的晶体管 (称为点接触晶体管)，1947 年 12 月 16 日星期二。 尽管肖克利在项目中发挥了很大作用，但他 对被排除在外感到愤怒和激动。不久之后，在 住在物理会议上的酒店里，他一手想通了 结型晶体管理论——比结型晶体管好得多的器件 点接触晶体管。

　　虽然巴丁退出贝尔实验室成为一名学者(他继续 享受更多的成功学习 超导体 在伊利诺伊大学)， Brattain在退休前待了一段时间，成为一名教师。 肖克利成立了自己的晶体管制造公司，并帮助激发了灵感 现代现象是“硅谷”(繁荣地区) 加利福尼亚州帕洛阿尔托周围，电子公司拥有 会众)。他的两名员工罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)和戈登·摩尔(Gordon Moore)去了 创立了全球最大的微芯片制造商英特尔。

　　巴丁、布拉坦和肖克利在几年后短暂重逢 他们分享了世界顶级科学 奖， 1956年诺贝尔物理学奖, 因为他们的发现。他们的故事是 一个引人入胜的故事 智力的才华与小小的嫉妒作斗争，一切都很好 值得一读 更多关于。你可以在书中找到一些关于它的精彩描述， 下面列出的网站。