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在这个手机里,有近一亿个晶体管, 在这个电脑里有超过
十亿个。所有我们用得到的电子产品里 都能见到晶体管:电视、收音机、电子鸡等。
但是其工作原理具体是什么呢?
其实最基本的原理很简单。 它就像这个开关一样,能控制电流。
它可以是断开的,我们叫这个“状态0”, 或者可以是闭合的,叫做“状态1”。
这是我们所有的信息被储存和处理的方法, 就在这些0和1里面,
同时也是一些小的电流。 但不像这个开关,一个晶体管没有
任何移动的部位。同时它也不需要一个人 去控制。更多的是,它的开关
可以比我开关这个开关快很多。 最后,
也是最重要的,它的体积非常微小。 这些都得感谢半导体这个奇迹。
我应该说半导体的科学原理的奇迹的。
纯硅是一个半导体,意思是他比绝缘体导电性要强,
但是又没有金属好。 这是因为一个硅原子有四个
最外层电子。 这使它可以跟相邻的四个硅原子形成四个化学键,
(大伙儿好!) (早上好!)
(好!)
就形成了一个正四面体晶体。
但是既然这些电子都存在于化学键中, 很少有电子会得到足够脱离化学键
从而可以自由在晶体里移动的能量。 正是因为硅只有少量可自由移动的电子,
硅是一个半导体。
如果硅没有半导体最强大的武器也许就不会那么有用了: (最强大的武器是)参杂(英语中还可以指使用兴奋剂)。
你应该听说过参杂。这是指当你 为了提高成绩引入一个不合法物质。
是的,这个其实很想体育中的参杂, 只不过是在原子的级别罢了。
(半导体)参杂分两种:n种和p种。 制作一个n种半导体
需要在纯硅的基础上加入少量最外层有五个电子的元素,
比如说磷(P)。
这个有用是因为磷和硅结构很相近, 所以磷就可以融入
这个硅晶体的结构,但是磷带入了一个多余的电子。 这意味着这个半导体有更多的
可自由移动的电子了,提高了半导体的导电性。
在p种参杂里,一个仅有3个 最外层电子的元素被加入硅晶体中。
比如说硼(B)。硼的加入带进了一个“洞”: 在原晶体中应该有一个电子的地方,但是
没有(电子)了。 这也可以提高硅的导电性
因为现在电子可以移入这些洞中了。
虽然说是电子在移动, 我们喜欢说是这些洞在移动,
因为洞的数量更少。 既然一个洞是指这里缺少电子,
洞其实带有正电荷。 这其实是p种半导体
叫p种的原因:p代表正(positive)。 是这些带正价的洞在移动,
同时在导电。
一个常见的误区是n种半导体带负电
同时p种半导体带正电。 这不对的,两种半导体都显电中性因为
它们电子数和质子数一样。
这里的n和p其实代表的是在它们内部能移动的电荷。
所以在n种里,是带负电荷的电子在移动,在p种里,
是一个带正电荷的洞在移动。 但是两者都是中性的!
一个晶体管是用n种半导体和 p种半导体组合做成的。一个常见的组合
是将n种放在两边,p种在两个n种之间。 就像一个开关,一个晶体管两头
都有导线接入。两头分别叫源极和漏极。 但它用到的并非一个(日常生活里的)开关,
而是有第三个叫做“栅极”的点接触。 这个栅极被一个氧化层与半导体绝缘。
当一个晶体管刚做成的时候,n种和p种 半导体并不会“各管自家事”:电子其实
会从有更多电子的n种半导体流向p种半导体
填入那些洞。
这就形成了一个叫做“耗尽层”的东西。 什么被耗尽了?
可以自由移动的电荷。 在n种半导体内没有能自由移动的电子了。
-- 为什么? 因为这些电子填上了p种里面的洞。
因为这些新加入的电子,p种半导体变为负性的了。 这很重要,
因为现在p种半导体将会排斥任何从n种半导体来的电子。
这就使耗尽层变为了一个阻碍, 防止了电流
流过晶体管。现在晶体管是开着的, 就像一个开着的开关一样,它在
0状态下。
为了把它打开,你得向栅极施加一个小的正电压。 这会吸引电子
过去然后克服耗尽层的阻力。 这其实也会使耗尽层缩小,
这样电子就可以通过了,因此而导电。
现在晶体管就是开启的了,它在状态1下。
这是很强大的,因为只通过利用 晶体的性质,我们能够
制造一个不存在任何移动部位的开关。 它同时也可以用电压
很快的被开关,最重要的是, 这些晶体管可以被做的很小。
今天的晶体管大约只有22纳米宽, 换句话说,它们两端距离只有50个原子那么长。
但为了遵守摩尔定律(Moore's law),晶体管 的体积必须还得缩小。摩尔定律
说每两年的时间里,在一个 芯片上的晶体管数目应该翻倍。
但这是有极限的,当两端距离越来越近时,量子效应
就会开始起效了。这意味着电子可以 通过量子隧道从一段到另一端。
这样人们可能无法制作一个足够高的阻碍, 就无法使它们不流动了。
这会是晶体管未来的很大的问题, 但我们应该还有十年才会面对到
这个问题。所以到那时为止,我们所知道的晶体管
只会越来越先进。
(当你有说300个这种qubits的时候, 你就会有相当于2的300次方)
(个传统的“比特”, 这就比宇宙中有的所有粒子还要多了。)