晶体管
# 50.晶体管
晶体管：半导体制品。
# 前言
本文理解起来有一定难度，如果看不懂，可以多看几遍；实在不行记住结论就可以了：晶体管作用和电子管一样，但是更快。
晶体管是由半导体组成的，为了方便理解晶体管的工作原理，我们首先回顾下初三的化学。
# 原子与电子： 初三化学原理复习
原子由原子核和电子，其电子的排布是有规律的，分层排布。例如氧原子，氧是第 8 号元素，带有 8 个质子，其分部如下：
氧的原子结构示意图 第一层 2 个电子，第二层 6 个电子。类似太阳系的一个结构，原子核是太阳，电子环绕着原子核运动。
电子排布的规律：
- 第一层：最多 2 个
- 第二层：最多 8 个电子
- 最外层：最多排 8 个电子
- …………（还有很多规律，这里不深入探讨）
这些都是科学家们通过实验得出来的结论。
钠的原子结构第二层
我们可以根据原子的结构，推测出其化学性质。最外层的电子容易发生得失电子，这就密切关系到其化学性质，规律如下：
- 如果最外层是 2 个电子，并且是第一层，也不易得失，例如氦原子
- 如果等于 4 个，比较稳定。比如碳，高温才会发生变化
小结：原子倾向于变成稳定的结构，不管是得到还是失去电子，都往最外层是 8 个电子的方向靠近。 这个结论很重要。
# 在晶体管发明之前
尽管，真空电子管将计算机的发展带入了一个崭新时代，此时机器的运算速度已经远远超出了此前任何时期人们的想象，但电子管本身有着体积大、重量大、寿命短、能耗高（需要将阴极加热到很高才能发射出电子流）、不稳定、无法标准化生产等诸多缺点，世界各地的计算机科学家们都清晰地意识到：即使计算机的发展有终点，那也一定不是电子管计算机。
人们为计算机寻求一种更适合的新细胞，很快就迎来了神奇的晶体管。
# 晶体管的的发明
我们知道，任何物质都有或高或低的电导率。
电导率高到一定程度的是导体，比如金属和电解质溶液；
电导率低到一定程度的是绝缘体，比如塑料和橡胶；
电导率介于导体和绝缘体之间的就是半导体，比如硅、锗和砷化镓，它们的处境十分尴尬，用于导电效率太低，用于绝缘又不够安全。
但从 19 世纪 30 年代开始，科学家们陆续发现半导体在通电、加热和光照条件下的一些特殊性质，逐渐开发出其在整流和光电转换方面的能力。科学家们在半导体中掺入一些杂质，意外地发现它变成了导体，效果就像往不导电的纯水中撒一把食盐就能更加通电一样，他们很快调制出一种名为晶体管的秘方。
1947 年末，贝尔实验室的三位物理学家——约翰·巴丁（John Bardeen）、沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）和威廉·肖克利（William Shockley），基于半导体锗（读音 zhě）组装出第一个具有信号放大功能的点接触型晶体管（point-contact transistor）。
肖克利在半导体领域继续攻坚克难，并在 1949 年发明出更实用的双极结型晶体管（bipolar junction transistor），简称 BJT，真正打开了半导体计算的大门。
1956 年，三人作为晶体管的先驱共同获得了诺贝尔物理学奖。
贝尔实验室的三位物理学家和他们的首个晶体管（1997年复制品）
# 半导体的化学性质
BJT 的工艺十分精细、复杂，但它的原理并不难理解。晶体管的名称源自制作它的半导体材料是晶体，与非晶体不同，晶体在微观层面有着规则的几何结构。以锗为例，它的晶体结构是经典的金刚石立方结构，原子在立方体的中央，4 个外层电子各占一个角，每个外层电子都可以和其他原子的某个外层电子结合成对，形成稳定的共价键，从而组成更大的立方体。
元素周期表
# 晶体二级管的原理
我们来看看二极管长啥样：
这是两个常见的二极管，他们的身体伸出 2 个金属引脚。上方的二极管透明且内部为橙色，负极带有黑色条纹；下方的二极管是黑色的且带有灰色条纹，表明是负极。 二极管的电路符号：
符号右边的竖线和二极管的条纹意义相同，这条纹有助于使用的时候不把二极管装反。
二极管这种电子元件，只允许电路向一个方向流过，我们来看看其原理。
# 纯硅
前面我们讲到，一个原子的最外层是 8 个的时候，是比较稳定的；而硅只有 4 个，那怎么达成稳定的 8 电子结构呢？在纯硅当中，两个原子之间会共享电子，形成共价键，达到了稳定的 8 电子结构：
如果我们接上电池，由于硅目前是稳定的 8 电子结构，所以无法导电，所以纯硅是不导电的：
# N 型掺杂
如果我们将硅中掺杂磷，会发生什么现象？在元素周期表中，磷在硅的右边，比硅多一个电子；如果两者放到一起，那么磷的 5 个电子也会和硅的 4 个电子形成 8 电子结构，但是会多一个自由电子。我们称这种掺杂为 N 型掺杂（N 型半导体，N 指 negative，负极）：
# P 型掺杂
同理，给纯硅掺杂硼元素，会怎么样？硼在元素周期表的序号为 5，最外层有 3 个电子；硼和硅掺杂后，形成共价键，离 8 电子结构还缺一个电子：我们称这种掺杂为 P 型掺杂（P 型半导体，p 指 positive，正极）：
缺失电子的地方，我们一般称为空穴，可以被电子填充
此时如果我们接上电池，电子会被空穴吸引，然后被正极吸引，形成电流：
# NP 型掺杂
现在我们将 N 型半导体 和 P 型半导体靠在一起：
同理，P 型半导体靠近 N 型半导体的部分，由于得到了电子，该部分就会带负电。
这个区域我们称之为耗尽层，也叫 PN 结，可以理解为一堵墙：
把电池反过来，正极吸引自由电子离开，负极输入负电荷填充空穴：
这就是二极管单向导通的原理：
三极管长这样：
三极管在电路当中主要有两个作用，一个是开关作用，另一个则是放大作用。
百科概述：三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。
三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。
# 晶体三极管的工作
三极管电路符号：
三极管有三种工作状态：截止状态，放大状态，饱和状态 三极管在截止状态下，各电路几乎没有电流，类似一个关了的水龙头：
当我们稍微给基极施加一点电压，就会进入放大状态。相当于基极是受控制的水龙头，当开关大一点，水流就会变大：
也就是放大状态下，基极电流大一点，集电极电流就会成比例放大：
饱和状态：相当于水龙头开到最大
# 晶体三极管的原理
我们基于晶体二极管，改造下晶体管，使其变成晶体三极管。
在左边较小的区域，我们进行高浓度 N 型掺杂。给中间极度小的区域，进行 P 型参杂。在右边较宽的区域进行普通浓度 N 型参杂。PN 相连处形成耗尽层。如下：
这叫 NPN 型掺杂。
接下来三个区域分别接上引脚，命名为 CBE。通常中间那层是基极，称为 Base，简写 B；另外 2 层是发射极 E 和集电极 C：
由于接了两个电源负极，会输入新的负电荷，再加上左侧的是高浓度 N 型参杂含有大量自由电子，当 BE 电源正极母吸引，一个电子形成空穴，就会涌入大量负电子，抢占这个空穴：
而这些多出来的电子，会挤在这块区域。注意，右侧是正常浓度橡杂，耗尽层负极区同性相斥的力，远远低于这些电子向右的力，这些多出来的电子，就会产生漂移运动，突破耗尽层进入到右侧 N 区，然后被电池正极吸引：
这个过程是 P 区每出现一个空穴，就有 β 倍的电子会漂移过去，意味着加大 BE 的电压，吸引更多电子形成更多的空穴，就能漂移过去更多的电子。 电子移动的方向和电流方向相反，这里假设流入基极的电流表示 Ib：
流入集电极的电流等于 Ic：
如是，晶体三极管和电子三极管也有着相似的性质，能够放大电信号。
当基极通往发射极导通时，集电极才能导通
如果基极到发射极不导通，集电极也无法通过电流
同理除了 NPN 型，还有 PNP 型：
# 晶体管的优点
对比真空管，晶体管的优点如下：
- 晶体管速度很快，每秒可以开关 10，000 次；
- 晶体管很小，做出来的计算机更小更便宜
真空管和晶体管的对比 比如 1957 年发布的 IBM608 第一个完全用晶体管，而且消费者也可以买到的计算机：
图来自《计算机科学速成课》
它有 3000 个晶体管。每秒执行 4500 次加法，每秒能执行 80 次左右的乘除法，IBM 很快把所有产品都转向了晶体管，把晶体管计算机带入办公室，最终引入家庭。如今，计算机里的晶体管小于 50 纳米-而一张纸的厚度大概是 10 万纳米。
晶体管不需要额外的能量，而真空管功耗大。
晶体管是固态的，有较高的结构强度，有更长的寿命和反应。真空管由玻璃制成，小心易碎。
# 参考
初三化学同步课程 25. 原子结构示意图，https://www.bilibili.com/video/BV1hP4y1a7fb
初三化学课程：26.电子得失与离子，https://www.bilibili.com/video/av207844371
终于有人讲了，凭什么三极管能放大?，https://www.bilibili.com/video/BV1fB4y147Gn
三极管的三种工作状态你都知道吗？一个简单的动画让你弄明白！https://www.bilibili.com/video/BV1Xf4y1P7ut
电子计算机-Electronic Computing，https://www.bilibili.com/video/BV1EW411u7th
