晶体管
# 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：晶体管比电子管更快。
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：
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）
这是科学家们通过实验得出来的结论
我们再举一个例子：钠，钠的序号是11，有11个电子和质子
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：
- 当最外层的电子数小于4个，容易失去外层所有电子，化学性质不稳定
- 当最外层的电子数大于4个，容易得到电子，直到最外层为8个为止 化学性质不稳定
- 当最外层的电子数等于8个，不易得失，化学性质稳定，
- 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。
# 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。
硅元素同理，和锗一样的晶体。由于硅比锗更适合做半导体，逐渐取代了锗半导体。后续我们以硅为例讲解半导体
# 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）。
如果我们接上电池，那么由于同性相斥，电子会在电路中流动起来，电路中的灯泡也会亮起来。
# 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。
N型和P型半导体都有着较纯锗更高的电导率，但这并没有什么稀奇，直到肖克利将它们靠在一起。
# NP型掺杂
现在我们将 N型半导体 和 P型半导体靠在一起：
由于N型半导体带负电，靠近P型半导体区域的部分，电子会跑到隔壁的P型半导体中去，虽然该区域的原子都是8个电子，但由于失去了一个电子，该部分带正电；
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
接下来我们接上电池，看看会发生什么。电池隔壁的是灯泡，用来判断有没电流；只要有，就会发亮。
由于同性相斥，N型半导体的电子会被推动到PN结的地方，然后由于P型半导体带负电，会吸引电子；然后电子又被正极吸引，此时电路中就有电流通过，电路中的灯泡也会发亮。
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
此时耗尽层增大，新的负电荷始终无法跨过（因为耗尽层没有多余的空穴），所以电流截止，灯泡熄灭
这就是二极管单向导通的原理。
# 晶体三极管
三极管长啥样：
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 (opens new window)，也称双极型晶体管 (opens new window)、晶体三极管 (opens new window)，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。
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
# 晶体三极管的工作
三极管电路符号：
如何工作：三级管是通过控制基极，来控制集电极和发射极之间的电流大小的。（如果没有电流，就是截止）
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
给BE通电，负电荷同性相序，推动自由电子向前填充到空穴，再被正极吸引形成回路。仔细看P区，每吸引一个电子出来，就有一个空穴等着下一个填充上来
再给CE通电，正极接右边N区，所以会吸引电子离开，耗尽层增大
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
Ib放大β倍会等于Ic，Ib × β = Ic最终两个相加汇总，等于流出电流Ie。这就是他们之间的关系，也就是三极管完整的放大原理了
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
比如1957年发布的IBM608第一个完全用晶体管，而且消费者也可以实到的计算机。
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_哔哩哔哩_bilibili (opens new window)
初三化学课程：26.电子得失与离子_哔哩哔哩_bilibili (opens new window)
终于有人讲了，凭什么三极管能放大?_哔哩哔哩_bilibili (opens new window)
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！_哔哩哔哩_bilibili (opens new window)
计算机科学速成：2. 电子计算机-Electronic Computing_哔哩哔哩_bilibili (opens new window)
