计算机简史第四章电子时代之晶体管

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。

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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

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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。

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我们再举一个例子：钠，序号是 11，有 11 个电子和质子：

钠的原子结构第二层

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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。

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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。

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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。

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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）

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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。

元素周期表

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晶体二级管的原理

我们来看看二极管长啥样：

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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。

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二极管的电路符号：

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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。

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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：

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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：

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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）：

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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：

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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

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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：

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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。

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NP 型掺杂

现在我们将 N 型半导体和 P 型半导体靠在一起：

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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。

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这个区域我们称之为耗尽层，也叫 PN 结，可以理解为一堵墙：

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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：

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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：

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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：

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这就是二极管单向导通的原理：

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晶体三极管

三极管长这样：

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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。

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