【Veritasium】晶體管的運作原理 How Does A Transistor Work

這部手機內有近一億個電晶體。 這台電腦裡有超過十億個。 電晶體幾乎出現在我們使用的每一個電子設備中。 電視、收音機、Tamagotchi。 但它是如何運作的呢？ 其實，基本原理非常簡單。 它運作方式就跟這個開關一樣。 因此它能控制電流的流動。 它可能處於關閉狀態，因此你可以稱其為零狀態。 或者它可能是開啟的，處於一種狀態。 而這就是我們如今儲存與處理所有資訊的方式。 零和一，微小的電流比特。 但與這個開關不同，晶體管沒有任何活動部件， 而且也不需要人工操作員。 此外，它能夠更快地開啟和關閉。 比我按下這個開關還快。 最後，也是最重要的一點，它小得令人難以置信。 好吧，這一切都要歸功於半導體的奇蹟。 或者更確切地說，是半導體科學。 純矽是一種半導體， 這意味著它的導電性能優於絕緣體。 但不如金屬那麼好。 這是因為一個矽原子有四個電子 在其最外層，亦即價電子層。 這使得它能與其四個最近的鄰居形成鍵結。 你怎麼拿著它？ 好眼力。 怎麼了？ 因此它形成了一個四面體晶體。 但由於所有這些電子都被困在化學鍵中， 很少有人能獲得足夠的能量逃脫束縛。 並穿過晶格。 因此，擁有少量的移動電荷 這正是矽成為半導體的原因。 現在，這並不會有多大用處 沒有半導體的祕密武器——摻雜。 你可能聽說過禁藥。 當你注入一種外來物質時 為了提升效能。 是的，其實就是這樣。 除了原子層級以外。 有兩種類型的摻雜，分別稱為n型和p型。 要製造N型半導體，你需採用純矽 並注入少量的某種元素 具有五個價電子，如同磷一樣。 這很有用，因為磷與矽足夠相似。 它可以適應晶格結構。 但它同時帶來了一個額外的電子。 這意味著現在半導體中的自由電荷更多了 因此它的導電性能更佳。 在P型摻雜中，一種僅具有三個價電子的元素 如同硼一樣被加入晶格中。 現在，這會造成一個洞， 一個本應有電子卻沒有電子的地方。 但這仍然會增加半導體的電導率 因為電子可以移入其中。 雖然移動的是電子， 我們喜歡談論那些移動的洞。 因為它們的数量少得多。 現在，由於空穴是電子缺失的狀態， 它實際上起到正電荷的作用。 這就是為什麼這種半導體被稱為p型半導體。 p 代表正數。 是正電荷，這些電洞， 這些是移動並傳導電流的。 現在，這是一個常見的誤解 n型半導體帶負電 而P型半導體帶正電。 那不對。 他們都是中立的 因為它們內部的電子和質子數量相同。 「n」和「p」實際上僅指電荷的正負號 可以在其中移動的。 因此，在N型半導體中，能夠移動的是帶負電的電子。 而在P型半導體中，移動的是帶正電的空穴。 但它們都是中性的。 電晶體是使用n型和p型半導體製成的。 一種常見的配置是在兩端為 n 型，中間為 p 型。 就像一個開關一樣，晶體管在兩端都有電氣接點。 這些稱為源極和漏極。 但不是使用機械式開關， 有一個稱為閘極的第三個電氣接點， 這是由氧化層與半導體隔離的。 當製造一個電晶體時， n型和p型不會各自為政。 電子實際上會從N型半導體擴散出去， 它們越多的地方 進入P型半導體以填補空穴。 這會形成所謂的耗盡層。 什麼已經耗盡了？ 可移動的電荷。 n型中已無更多的自由電子。 為什麼？ 因為它們填補了P型半導體中的電洞。 現在由於增加了電子，p型半導體變成了負的。 這很重要，因為P型現在會排斥任何電子 試圖從n型傳遞過來的。 因此，耗盡層實際上起著障礙的作用， 阻止電流通過電晶體。 所以目前電晶體是關閉的。 就像一個開路的開關。 它處於零狀態。 要啟動它，您必須向閘極施加一個小的正電壓。 這會吸引電子過來 並克服了耗盡層所產生的排斥作用。 它實際上縮小了耗盡層 使電子能夠通過並形成導電通道。 因此，電晶體現在已導通。 它在那個狀態。 這非常令人驚訝，因為僅僅是利用晶體的特性， 我們已經成功研製出一種沒有任何活動部件的開關， 只需施加電壓即可非常快速地開啟和關閉。 最重要的是，它可以做得非常小。 今天的晶體管寬度僅約22奈米。 這意味著它們的直徑僅約50個原子。 但要跟上摩爾定律的步伐，它們將不得不持續縮小。 摩爾定律指出，每兩年一次， 晶片上的電晶體數量應該加倍。 而且有其極限。 隨著這些終端越來越靠近彼此， 量子效應變得重要 電子實際上可以從一邊穿隧到另一邊。 因此，你可能無法建造一道足夠高的屏障來阻止它們流動。 這將成為未來晶體管發展的一個真正問題， 但我們大概要再過十年才會面臨那種情況。 因此，在那之前，我們所熟知的電晶體將持續變得更好。 一旦你擁有大約三百個量子位元， 那麼你就會有大約 2 的 300 次方個經典位元。 這等於宇宙中粒子的數量。