晶体管改变了一切：工作原理揭秘

# 晶体管改变了一切。以下是其工作原理 来源：https://www.wired.com/story/transistors-changed-everything-heres-how-they-work/ 上周，我揭示了“焦耳小偷 (https://www.wired.com/story/squeeze-more-juice-out-of-a-dead-battery)”背后的巧妙物理原理——这是一种电路，能让你从看似耗尽的电池中榨取更多能量。关键在于变压器和晶体管的巧妙组合。但晶体管本身值得单独标题，因为它或许是20世纪最重要的发明。 没有晶体管，生活将完全不同。首先，将没有个人电脑或手机，因此也不会有亚马逊、电子游戏、约会应用、短信、流媒体、社交媒体、苹果支付或谷歌地图，当然也没有人工智能（嗯……）。汽车里包含数十亿个晶体管。它们真的无处不在。那么，晶体管到底是什么？ 理解这项关键技术的最佳方式，是追溯其演化之路，一直回到19世纪电报中使用的电磁继电器。 ## 电磁继电器 电报线路基本上是长长的电路回路。你可能从未想过，它们是靠电池供电的——原始的、低电压电池，在电报站里占满整个柜子——因为当时还没有电网。 电磁继电器发明于1835年，是这些系统的关键部件。本质上，它是一个控制电流通断的开关——有点像你用来开灯的墙壁开关。但继电器没有手指，它使用第二个电流来拨动开关。为什么用电流来控制电流？这是个好问题。 假设你想打开50英里外另一个城镇的一盏灯。你会在电线杆上架设很长的电线。然后你可以开关这盏灯，甚至可以用点划代码发送文本信息。但有个问题：电线越长，电阻越大，电流就不足以传输清晰信号。 解决方案是什么？将电路分成两段25英里的长度，中间用一个继电器连接。当你闭合第一段电路的开关时，它操作继电器，让第二个电池以相同的电流模式通过下一段电路，从而点亮电灯。以下是示意图： 电路示意图：Rhett Allain 当然，电报用蜂鸣器代替了灯，但原理相同。总之，继电器至今仍被广泛使用，而用电流控制另一个电流的想法开启了各种可能性。例如，在汽车中，它允许你用低功率的仪表盘控制来切换高功率电路，以操作起动机、头灯或空调等设备。 继电器是如何工作的？本质上，它就是一个电磁铁。以下是一个简单示意图及一个实际案例： 电路示意图和照片：Rhett Allain 内部有一个缠绕在铁芯上的线圈。当电流流过这根控制线时，会产生磁场。磁场将顶部的金属开关吸下来，使其与输出导线接触。你一定听过继电器工作的声音。当你的烤箱恒温器开关加热元件时，发出的那种可听见的*咔嗒*声，就是它发出的。 虽然继电器很酷也很有用，但它们只是基本的开/关开关。我们还有另一种类似*可变*继电器的东西——真空管，约在1905年发明，使老式收音机成为可能。 ## 真空管 你可以将真空管想象成一个改进的灯泡。白炽灯只是一根很细的灯丝，电流通过时会变得极热并发光。灯丝被置于玻璃容器内，空气被抽走以防止灯丝烧毁。（这就是灯泡的全部用途——隔绝氧气。） 但还发生了一件事，你看不见：当灯丝变得极热时，电子会从中逸出。由于电子流就是电流，你可以以类似继电器的方式利用这些热电子。以下是一个基础真空管的示意图： 图像可能包含杯子、罐子、图表和绘图 电路示意图和照片：Rhett Allain 电子穿过灯泡到达一个收集极板，从而产生输出电流。现在，这看起来可能是个愚蠢的方法。但如果我们在灯丝和收集极之间添加另一根导线（称为栅极），我们就可以控制这个输出电流。控制栅极施加负电压会将电子推回，使其远离收集极，从而减少输出电流。在栅极上施加正电压则会增加输出电流的流量。 所以，这又是一个电流开关，和继电器一样，由不同的导线控制。但有两个主要区别：首先，没有机械接触，这意味着输出电流可以变化得快得多。其次，输出电流不仅仅是开或关；它可以随控制电压的强度而变化。 这使得第一代音频放大器成为可能。如果你从遥远的电台收到一个微弱信号，它不足以驱动扬声器让你听到任何声音。但如果你将该信号输入真空管的控制电压，你可以获得强得多的输出，同时保持与原始信号相同的模式（如音乐）。 但是等等！真空管还能做其他事情——你可以用它构建计算机。是的，早期计算机就是一堆由其他真空管控制的真空管，构成逻辑门。你使用的输入信号要么是1伏特，要么是0伏特。一个与门有两个信号输入和一个输出。如果两个输入都是1伏特，它就输出1伏特。否则输出0伏特。或门只要任一输入为1伏特就输出1伏特。 实际上，你本可以用电磁继电器建造计算机。但继电器比真空管慢得多，而且所有的咔嗒声会让人发疯。真空管是无声的纯电子元件，没有移动部件，这是一个颠覆性的改变。 ## 晶体管 尽管如此，真空管仍有三个问题。它们消耗大量电力，因此早期计算机发热严重，需要庞大的冷却系统，运行成本高得离谱。其次，真空管脆弱易坏，计算机需要不断维护。（简直需要全职团队整天寻找和更换损坏的真空管。）最后，真空管体积太大。那些早期计算机，比如1945年的ENIAC，占满了整个房间。 晶体管于1947年在贝尔实验室发明，通过使用半导体解决了所有这些问题。你经常听到“半导体”这个词，但什么是半导体？嗯，你知道有些材料（如铜）能导电，而其他材料（如橡胶）是绝缘体吗？半导体（如硅）可以在两者之间切换。 半导体有两种类型：如果给硅添加额外电子，你得到n型半导体；移走电子则得到p型半导体。电子带负电荷，因此缺失的电子表现为正电荷，我们称之为“空穴”。 晶体管是通过组合不同类型的半导体制成的。这里有一个叫做NPN晶体管的例子： 图像可能包含图案 插图：Rhett Allain 两个n型半导体被一个p型半导体隔开。这阻止了电子从输入区（“源极”）移动到输出区（“漏极”）。然而，如果对控制端或栅极施加电压，电子就可以移动到输出端。是的，再一次，它本质上是一个开关，一个电流控制另一个电流的开/关——但现在控制精度更高了。 最重要的是，它们可以被微型化——而且天哪，它们确实做到了。落地式收音机控制台被“晶体管收音机”取代，这种收音机在20世纪50年代和60年代被青少年随处携带。它们包含6到10个晶体管。今天，iPhone 17 Pro包含多达300亿个晶体管。这太疯狂了，但正是它驱动着我们基于计算机的世界运转。