二極管，三極管，mos晶體管的工作原理

這是製造芯片的材料硅。 純硅的導電性非常低, 但是如果你給它來上一針, 它的導電性就會急劇增加。 這究竟是爲什麼? 正常情況下,硅的最外層有4個電子, 但是硅會和其他硅原子共享電子, 使外層電子達到8個, 從而達到最穩定的狀態。 那怎麼增加硅的導電性呢? 這就要用到摻雜。 一種是摻雜磷元素。 磷原子外層有5個電子, 當它與硅原子結合時, 會多出來一個自由電子, 並能自由移動。 還有一種是摻雜鵬元素。 鵬元素最外層有3個電子, 與硅原子結合時, 會缺少一個電子, 從而產生一個空穴, 相連的電子可以隨時填充這個空穴。 根據這個原理, 我們就能製造半導體了。 這是一塊原材料硅。 硅一部分摻雜鵬元素, 稱爲P型半導體, 一部分摻雜磷元素, 稱爲N型半導體, 在P型半導體和N型半導體接觸的位置。 由於N型半導體有多餘的電子, 電子就會移動, 填充P型半導體的空穴, 這就導致P型半導體整體帶負電, 而N型半導體整體帶正電, 這就會產生一個 由N指向P的內建電場。 這個內建電場會阻止電子 進一步向P型半導體移動, 從而在中間形成一個耗盡層, 相當於電子流動的通道被斷開了。 現在我們在PN型半導體 兩端接上電池, 這就會產生一個外電廠, 外電廠跟內建電廠的方向一致, 這就導致中間的耗盡層進一步擴大, 電流是不會流通的, 但是如果我們將電池反過來連接, 外電廠跟內建電廠的方向相反, 並削弱內建電廠, 假如電池有足夠的電壓, 那麼最終電子就會向P型半導體移動, 由於正極的吸引, 這些電子就會一步步流過外部電路, 從而導致整個電流流通, PN型半導體的這些特性 也正是二極管的特性, 所以常用來製作二極管, 除了二極管外,科學家又在二極管的基礎上 發明出三極管, 跟二極管類似, 三極管也是需要在硅材料上, 摻雜鵬元素和磷元素, 不同的是三極管多了一個單型半導體, 這就像是兩個相反的二極管連在一起, 這種情況下, 無論你怎麼切換電池方向, 電流都是不可能流通的, 怎麼導通電流了? 我們現在在這個位置, 在連接一個小號的電池, 正極連接P型半導體, 負極連接單型半導體, 跟前面說到的二極管一樣, 這時就會有少量的電子往負極流動, 但是剩下一大部分的電子由於正極的吸引, 都流向了N極這邊, 從而使整個電流導通, 也就是說, 我們可以利用極極電流的微小變化, 就能控制極電極電流的較大變化, 也就是說三極管可以放大電流, 最常用的就是麥克風, 麥克風輸入一個小的聲音信號, 在揚聲器這邊就能被放大很多倍, 另外根據極極施加電壓的大小, 可以控制三極管的打開和關閉, 從而輸出一和零, 因此三極管可以用於製造各種邏輯門電路, 但是三極管用於製作集成電路, 功耗比較大, 爲了解決功耗問題, 莫斯晶體管因欲而生, 莫斯晶體管目前成爲製造集成電路的主流, 跟三極管類似, 莫斯晶體管也是需要摻雜的, 其中兩個N型半導體是高度摻雜鈴元素的, 而P型只摻雜少部分鏗元素, 我們在二極管說到, P型和N型半導體接觸的地方, 會產生一個耗盡層, 相當於一個屏障, 同樣的莫斯晶體管, 也會在接觸位置產生一個這樣的屏障, 使得電子不能繼續流動, 現在我們在N型半導體的兩端接上電池, 這會導致耗盡層進一步增大, 電流不能流動, 如何讓電流流通起來呢? 這是一個金屬電極, 另外一個是絕緣層, 然後將它們放入N型半導體之間, 這就構成了輕體管的山脊, 現在我們在山脊和P型半導體之間接上電池, 這會在金屬電極上產生正電荷, 從而產生了一個電場, 電場將電子拉向頂部位置, 最終在這一塊就會充滿電子, 而下面形成了一塊耗盡層, 這樣一來, N型和P型半導體之間就打通了, 我們現在將N型半導體兩端的電池連接上, 可以看到, 電流立即開始流通起來了, 如果我們將連接上電池, 由於施加的電壓不夠, 電場就會很微弱, 不能形成通道, 因此就不會有電子流動, 也就是說, 我們只要控制山脊的電壓, 就能控制電流的流動, 晶體管通過連接, 也可以形成很多邏輯門電路, 其中最常用的就是大規模集成芯片, 像CPU, 高端CPU內部集成了幾十億, 甚至上百億的莫斯晶體管, 這極大程度的推進了計算機的飛速發展。