芯片中晶体管的工作原理

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芯片中的晶体管的工作原理和我们生活中常见的一些半导体元器件的工作原理并无二致。只是芯片中的晶体管越做越小了，小到每平方毫米能够容纳上亿的晶体管。
晶体管往往都长着三条腿，利用半导体电导率容易受到控制的特性，通过改变导通的条件来调整输出的电流和电压，总结一下就是通过一个信号去控制另一个信号。
晶体管主要分为双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。双极性晶体管也就是我们常说的三极管，它有发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）三个极，基极和发射极之间微小的电流变化就会使得发射极和集电极之间的阻抗发生改变，从而改变发射极和集电极之间的电流大小。
场效应晶体管的同样有三个极，分别为源极（Source）、栅极（Gate 也叫闸极）和漏极（Drain）。通过在栅极和源极之间施加电压就能改变源极和漏极之间的阻抗，如此就能控制源极和漏极之间的电流。
双极性晶体管是一个电流型的控制性器件，在晶体管线性工作时，晶体管就成了放大器，用于电子放大器、音频放大器、射频发达器、稳压电路等等。但场效应晶体管几乎是一个电压型控制器件，用于表示开和关的特性，也可以用于表示“0”和“1”，并且我们只想它表示开和关的特性，而不想让他们耗电，实际上是不可能的，于是才有了将晶体管越做越小的节奏，一方面可以在单位面积内容纳更多的晶体管提高运算的速度，另一方面可以降低功耗。
拥有开关特性的晶体管为什么就可以用于计算？

我们人往往习惯于逢10进1，而机器所使用的二进制只有0、1而没有2,1过了之后就要进一位。机器语言之所以没有使用三进制、八进制、十进制、十六进制，是因为二进制对于机器来说很好实现，0/1对应了开和关，是和否。

这样看我们就会觉得很麻烦，没有十进制来得方便。但大家有没有想过一个问题，我们为什么会用十进制呢，而不采用十六进制？用十进制方便也仅仅是因为习惯，因为我们的双手加起来一共有10个，超过了10个就要重头开始数。

芯片之所以能够完成计算的动作离不开逻辑门（Logic Gates），它是数字系统的基本机构，通过或门、与门、非门、与非门、或非门等组合实现更为复杂的逻辑运算。比如上图的SN 7400N 7645就是由4个与非门构成的芯片。

那门又是如何构建的呢？这就回到了上面我们提到的场效应管，上面两个PMOS场效应管并联，然后下面两个NMOS场效应管串联就构成了与非门。当A、B都为1时（高电平），Out和Vss连接，Vout为低电平。只要A和B之间有一个为1，或者都为0时，Vss就不能接通到out，而对于PMOS场效应管来说，只要不通电就是接通的。

通过数学证明所有的逻辑，包括数学运算都可以通过与非门来实现。更多更为复杂的运算可以通过与非门的复杂、粘贴来实现。

场效应管的出现使得晶体管小型化成为可能

场效应管是一个高频率的电子开关，它的频率可以达到几十KHz。有了这个高频率的开关之后，我们才可以用电路，用很小的芯片来实现我们的各种逻辑门。

在方寸之间生长出数百亿计的晶体管，光刻仅仅只是将图纸微缩在方块之间，还需要通过物理、化学等等一系列的手段将硅、掺杂物一层层的加盖形成能够工作的晶体管，当然还需要生成晶体管之间相互连通的极细的铜导线，而硅晶圆仅仅只是地基，每盖一层都有一层掩膜图纸。