▶電晶體如何運作? (Veritasium )

簡介:

手機裡有近一億個電晶體，在電腦裡有超過十億個。所有我們用得到的電子產品裡都能見到電晶體：電視、收音機、電子雞等。但是其工作原理具體是什麼呢？其實最基本的原理很簡單。它就像開關一樣，能控制電流。它可以是斷開的，我們叫這個“狀態0”，或者可以是閉合的，叫做“狀態1”。這是我們所有的資訊被儲存和處理的方法，就在這些0和1裡面，同時也是一些小的電流。但不像這個開關，一個電晶體沒有任何移動的部位。同時它也不需要一個人去控制。更多的是，它的開關可以比開關這個開關快很多。最後，也是最重要的，它的體積非常微小。這些都得感謝半導體這個奇蹟，應該說半導體科學原理的奇蹟。

半導體Semiconductors

純物質"矽"是半導體，意思是他比絕緣體導電性強，但是又沒有金屬好。這是因為一個矽原子有四個外層電子，這使它可以跟相鄰的四個矽原子形成四個化學鍵，就形成了一個正四面體晶體。 但是既然這些電子都存在於化學鍵中，很少有電子會得到足夠脫離化學鍵從而可以自由在晶體裡移動的能量。正是因為矽只有少量可自由移動的電子，矽是一個半導體。如果矽沒有半導體最強大的武器也許就不會那麼有用了：最強大的武器是參雜（doping）。doping在英文裡面也叫做服用或注射興奮劑，意思就是為了提高執行效率(運動或工作)，而從外界引入了一些不合法的物質。在原子的級別也存在從外界引入其他的物質，來增強原本系統的導電能力。半導體參雜分兩種：N型和P型。製作一個N型半導體需要在純矽的基礎上，加入少量最外層有5個電子的元素，例如說磷（P）。這樣的參雜可行是因為磷和矽結構很相近，所以磷可以融入矽晶體的結構，但是磷相對於矽的4個外圍電子，多帶入了一個多餘的電子。這意味著這個半導體有更多的可自由移動的電子，提高了半導體的導電性。在P型參雜裡，一個僅有3個外層電子的元素被加入矽晶體中，比如說硼（B）。硼的加入帶進了一個“電洞”(hole)：在原晶體中應該有一個電子的地方，在參雜硼原子之後這個電子缺失了，但是沒有電子了，在P型參雜也可以提高矽的導電性，因為現在與這個電洞相鄰接近的電子可以移入這些電洞中，如此反覆應用就形成的電流。雖然說是電子在移動， 我們喜歡說是這些電洞在移動，因為電洞的數量較少。既然一個電洞是指這裡缺少電子，電洞其實帶有正電荷。這其實是P-型半導體叫P型的原因：P代表正（POSITIVE）。這些帶正價的電洞在移動，同時在導電。有時候我們會聽到這樣的誤解：認為P型半導體是一種帶有正電的半導體，而N型半導體是一種帶有負電的半導體，這都是錯誤的想法。無論是P型的半導體或是N型的半導體，都是電中性的。只是因為參雜的關係，N型半導體參雜的磷原子的外圍雖然相對於矽原子多了一個電子，但是磷原子的原子核中，也比矽原子多了一個帶正電的質子，因此整體而言是電中性的；對於P型的參雜也有相同的意義，也就是硼原子相對於矽原子，在原子核中少了一個正電的質子，當然也相對少提供一顆外層的電子，整體而言仍然是電中性的。

電晶體(Transistors)

一個電晶體是用N型半導體和P型半導體組合做成的。一個常見的組合是將N型放在兩邊，P型插在兩個N型之間。 電晶體由半導體材料組成，至少有三個對外端點稱之為極。以雙極性接面電晶體為例，有基極(B)、集極(C)、射極(E)，其中基極(B)是控制極，另外兩個端點之間的伏安特性關係是受到控制極的非線性電阻關係。電晶體受控極輸入的電流或電壓，改變輸出端的阻抗，從而控制通過輸出端的電流，因此電晶體可以作為電流開關，而因為電晶體輸出信號的功率可以大於輸入信號的功率，因此電晶體可以作為電子放大器。就像一個開關，一個電晶體兩頭都有導線接入，兩頭分別叫源極(source)和汲極(drain)。但它用到的並非一個（日常生活裡的）開關， 而是有第三個叫做“柵極”(gate)的點接觸。這個柵極被一個氧化層與半導體絕緣。 當一個電晶體剛做成的時候，N型和P型半導體並不會“各管自家事”：電子其實會從有更多電子的N型半導體流向P型半導體填入那些P型半導體的電洞。這就形成了一個叫做“耗盡層”的東西。什麼被耗盡了？可以自由移動的電荷。在N型半導體內沒有能自由移動的電子了。為什麼？因為這些電子填上了P型裡面的洞。因為這些新加入的電子，P型半導體變為負性的了。這很重要，因為現在P型半導體將會排斥任何從N型半導體來的電子。這就使耗盡層變為了一個阻礙，防止了電流流過電晶體。如果電晶體是關閉(也就電路為斷路，open circuit)的，就像一個斷開著的開關一樣，這個沒有電流流通的情況，我們電晶體的輸出在狀態0下。為了把開關聯通讓電荷可以流通形成電流，你得向柵極施加一個小的正電壓。這會吸引電子過去進而克服耗盡層的阻力。這其實也會使耗盡層縮小，電子就可以通過，因此而導電。這樣電晶體就是開啟的了，有電流導通的情況定義電晶體的輸出在狀態1下。

這是非常了不起的，因為僅僅利用晶體的特性，我們能夠製造一個不存在任何移動部位的開關。它可以用電壓快速的進行電路的開關，最重要的是，這些電晶體可以被做的很小。今天的電晶體大約只有22奈米寬(2013年)，換句話說，它們兩端距離只有50個原子那麼長。但為了追上摩爾定律的預言，電晶體的尺度必須不斷變小。摩爾定律說晶片上的電晶體數量，每兩年就會增加一倍。而且存在一個限制，隨著這些終端越來越靠近，量子效應變得更加顯著，電子實際上可以從一側穿越隧道到另一側(量子力學所預言的穿隧效應)。因此，您可能無法設置足夠高的屏障來阻止它們流動。現在這將成為電晶體未來的一個真正問題。但我們可能要再過幾年才會面對這個問題。因此，在此之前，我們所了解的電晶體將會不斷變得更好。

1. 雙極性電晶體的三個極，射極（Emitter）、基極（Base）和集極（Collector）射極到基極的微小電流，會使得射極到集極之間的阻抗改變，從而改變流經的電流。
2. 場效應電晶體的三個極，源極（Source）、閘（柵）極（Gate）和汲極（Drain）。 在閘極與源極之間施加電壓能夠改變源極與汲極之間的阻抗，從而控制源極和汲極之間的電流。