▶電晶體是如何運作的?(TED-edu)

電子計算機的基本原理

現代電腦正在徹底改變我們的生活，執行幾十年前還無法想像的任務。這是透過一系列創新而實現的，但幾乎所有其他事物都依賴於一項基礎發明：電晶體。它是什麼？從本質上講，所有計算機正如其名稱所暗示的那樣，都是執行數學運算的機器。最早的計算機是手動計數設備，例如算盤，而後來的計算機則使用機械器件。計算機之所以成為計算機，是因為它有一種表示數字的方法和一個處理數字的系統。電子計算機的工作方式相同，但數字不是物理排列，而是由電壓表示。大多數此類計算機使用稱為布林邏輯的數學類型，它只有兩個可能的值，即邏輯條件 true 和 false，以二進位數字 1 和 0 表示。它們用高電壓和低電壓來表示。方程式透過邏輯閘電路實現，邏輯閘電路根據輸入是否滿足特定邏輯語句產生 1 或 0 的輸出。這些電路執行三種基本邏輯運算：合取(且)、析取(或)和取反(非)。合取的工作方式是「與閘」(AND gate)僅在接收到兩個高壓輸入時才提供高壓輸出，其他閘門的工作原理類似。可以組合電路來執行複雜的運算，例如加法和減法。電腦程式由用於以電子方式執行這些操作的指令組成。這種系統需要一種可靠且準確的電流控制方法。

早期計算機

早期的電子計算機，如 ENIAC，使用一種稱為真空管的設備。它的早期形式是二極體，由真空玻璃容器中的兩個電極組成。向陰極施加電壓使其升溫並釋放電子。如果陽極處於稍高的正電位，電子就會被吸引到它，從而完成電路。這種單向電流可以透過改變陰極的電壓來控制，這使得陰極釋放更多或更少的電子。下一階段是三極管，它使用稱為柵極的第三個電極。這是陰極和陽極之間的金屬絲網，電子可以通過它。改變其電壓使其排斥或吸引陰極發射的電子，從而實現快速電流切換。放大訊號的能力也使得三極管對於無線電和長距離通訊至關重要。但儘管取得了這些進步，真空管仍然不可靠且體積龐大。

ENIAC電子數值積分計算機

ENIAC電子數值積分計算機（Electronic Numerical Integrator And Computer），]是世界上第一台通用計算機，能夠重新編程，解決各種計算問題。 ENIAC為美國陸軍的彈道研究實驗室所使用，用於計算火炮的火力表。ENIAC在1946年公布的時候，就被當時的新聞讚譽為「巨腦」。在二戰期間，美國陸軍資助了ENIAC的設計和建造。建造合同在1943年6月5日簽訂，實際的建造在7月開始，由賓夕法尼亞大學穆爾電氣工程學院進行。建造完成的機器在1946年2月公布，並在賓夕法尼亞大學正式投入使用。1946年7月，它被美國陸軍軍械兵團正式接受。ENIAC包含了17468個真空管、7200個晶體二極體、1500個繼電器、10000個電容器，還有大約五百萬個手工焊接頭。它的重量達27噸（30美噸），體積大約是2.4m×6m×30.48m（8×30×100英尺），占地167平方米（幾乎有網球場那麼大），重30英噸，耗電150千瓦（約15個家庭的用電功率，有傳言說，每當這台計算機啟動的時候，費城的燈都變暗了）。

電晶體

電晶體不使用電極，而是使用半導體，例如藉由參雜不同的元素的矽，以創建電子發射 N 型和電子吸收 P 型的半導體。它們排列成三個交替的層(PNP or NPN)，每層都有一個端子。發射極(E)、基極(B)和集極(C)。在這種典型的NPN電晶體中，由於P-N界面上的某些現象，在射極和基極之間形成了一個稱為P-N接面的特殊區域。僅當施加超過特定閾值的電壓時它才導電。否則，它會保持關閉狀態。這樣，輸入電壓的微小變化可用於在高輸出電流和低輸出電流之間快速切換。電晶體的優點在於其效率和緊湊性。由於它們不需要加熱，因此更耐用且耗電量更少。ENIAC 的功能現在可以被包含數十億個電晶體的單一指甲大小的微晶片所超越。以每秒數萬億次的計算速度，今天的計算機似乎正在創造奇蹟，但在這一切的背後，每個單獨的操作仍然像輕按開關一樣簡單。

授課教師
陳永忠 ycchen@thu.edu.tw