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你知道吗？这玩意儿在你手机里有几十亿个！ | 线上科学日
Original
2017-04-16
Alex Yuan 中科院物理所
昨天正经玩的小编又在炫耀他的小茹师妹 而我只能在实验室里一个人默默地搞机 别误会 小编只是一个手机爱好者 最近各大厂商纷纷发布新机 作为手机的核心元器件 处理器一直是大家宣传的卖点 那么你知道处理器芯片的核心是什么吗 今天我们就来和大家聊一聊 处理器的基本单元 晶体管 别看我们的处理器芯片只有指甲盖大小 每一个处理器芯片上都有着几十亿个晶体管 以某品牌810型号的处理器为例 里面就有20亿个晶体管 晶体管最基本的作用就是放大功能 它可以将输入的电信号放大 要搞清楚晶体管为什么有这样的功能 就得先了解它的构造 晶体管是由半导体制作而成的 最常见的就是硅（Si） 硅是原子晶体 每个硅原子周围有四个紧邻的硅原子 它们构成一个正四面体 每个硅原子的最外层有四个未成对电子 它们与近邻硅原子的最外层电子相互作用 形成共用电子对 从而形成四个共价键 在外加电场的作用下 共价键中的少量电子会变成自由电子 有了载流子就可以导电 不过由于载流子的数量很少 因此硅是一种典型的半导体材料 （动图里提到了固体物理中的能带理论，在此不作展开） 不过由于纯硅的导电性太弱 我们必须通过掺杂提升它的导电性能 才能为我们所用 如果在硅中掺入五价的原子（如磷） 就会多出一个自由电子 这样的掺杂被称作N型掺杂 掺杂后的半导体被称作N型半导体 如果在硅中掺入三价的原子（如硼） 就会多出一个空穴 周围的电子填充空穴 等价于空穴向周围移动 相当于多了一个带正电的载流子 这样的掺杂被称作P型掺杂 掺杂后的半导体被称作P型半导体 如果将P型硅和N型硅连在一起 就会构成PN结（二极管） 一侧充满空穴 另一侧充满电子 在P型硅和N型硅的交界处 N型硅中的电子会填充到P型硅的空穴中 不过这种填充不是无止尽的 随着填充的增加 P型硅一侧会带上负电 N型硅一侧会带上正电 形成一个内建电场和内建电势 阻碍电子和空穴进一步复合 当达到平衡状态时 交界处会形成一块既没有空穴也没有电子的区域 这块区域就被称作耗尽区 如果在PN结的两端加上如图所示的电压 电子和空穴会分别向各自一端移动 耗尽区宽度增大 PN结中不能形成电流 不能导电 如果将电压反过来 并且电压的大小超过耗尽区的内建电势 电子将源源不断地从N型区移动到P型区 与空穴发生复合 这样PN结内就形成了稳定的电流 从而可以导电 （动图的帧率有问题，以至于外电路电子移动方向看上去不大对，电子应该从P端经由电池移动到N端，大家不要搞错，想看清楚的可以戳文末的原视频） 如果我们按照N型-P型-N型的顺序连接 那么就形成了NPN型的晶体管 三个区域依次称为发射区、基区、集电区 掺杂浓度依次降低 因此常标记为N+PN型晶体管 NPN型的晶体管可以看做两个PN结背靠背连接而成 如果在两端加上电源 无论怎么接 都有一个PN结无法导通 不能产生电流 现在我们在左侧的N+P区加上第二个电源 使左侧的PN结正向导通 N+区的大量自由电子迅速向P区移动 由于N+区的掺杂浓度远高于P区 一般要高两个数量级 再加上P区的宽度很窄 所以N+去发射的电子只有少量与空穴复合 形成基极电流 大量的电子穿过基区到达集电区 到达集电区的电子被第一个电源的正极吸引 经过外电路回到了发射区 也就是说 发射区产生的电子电流被分成了两部分 小部分变成了基极电流 大部分变成了集电极电流 宏观上看相当于是小的基极电流 经过晶体管的放大 成为了大的集电极电流 这就是晶体管的放大作用 如果你嫌放大的倍数不够 你还可以将晶体管级联 获得更大的放大倍数 晶体管除了放大功能外 还可以被用作开关 根据输入信号的特性决定电路的通断 这是数字电路的基础 通过各种组合 我们可以用晶体管实现各种逻辑运算 从而实现处理器的功能 1954年 美国贝尔实验室发明了 世界上第一台晶体管计算机 随着集成电路技术的发展 人们可以在小小的芯片上放下几十亿个晶体管 所需的成本大大降低 运算的效率大大提高 最后放上原视频 不过是没有字幕的生肉 大家可以练练听力哦→_→
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发表于 2017-4-18 02:16
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