为什么芯片里放很多晶体管（硬核解释半导体和二极管的工作原理）
为什么芯片里放很多晶体管（硬核解释半导体和二极管的工作原理）◉ 电流通过p型半导体的机理p型半导体，将一部分Si原子置换成B（硼）原子，硼原子最外层有3个电子。由于硅原子被杂质硼原子取代，硼原子外层的三个电子与周围的硅原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（相当于正电荷），成为能够导电的物质。p代表带正电荷的空穴。1. n型半导体n型半导体，就是将一部分Si原子置换成P（磷）原子，磷原子最外层有5个电子，其中四个与周围的硅原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，只要外加电压，就会被吸向 极，变为可自由运动的状态，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体就成为了含自由电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。2. p型半导体
作为程序员在某个深夜里你是否有过这样的疑惑：树莓派上，电脑主板上，各种各样的电器里都布满了黑乎乎的芯片，这些芯片是如何工作的？二极管内部是如何实现单向导电的？指甲大小的CPU是如何完成听音乐、看电影、编辑word这些任务的？今天让我们一起深入半导体内部，在原子尺度上了解一下半导体和二极管的工作原理。
◉ 基础材料-硅
硅是制作芯片的基础材料，硅原子的原子核周围带有14个电子，最外层轨道带有4个电子。将其形成单晶，连接方式是原子核相互共用电子，原子核周围排列8个电子，形成非极性共价键，这种状态下的纯单晶硅基本不导电。在这里添加某种杂质后，电流就可以通过硅。以常见的pn型二极管为例，根据杂质的类型，半导体分为p型半导体和n型半导体。
◉ PN型二极管
1. n型半导体
n型半导体，就是将一部分Si原子置换成P（磷）原子，磷原子最外层有5个电子，其中四个与周围的硅原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，只要外加电压，就会被吸向 极，变为可自由运动的状态，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体就成为了含自由电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。
2. p型半导体
p型半导体，将一部分Si原子置换成B（硼）原子，硼原子最外层有3个电子。由于硅原子被杂质硼原子取代，硼原子外层的三个电子与周围的硅原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（相当于正电荷），成为能够导电的物质。p代表带正电荷的空穴。
◉ 电流通过p型半导体的机理
电子被吸向＋极，移动至附近的空穴。于是，电子移动后空出来的地方成为新的空穴，旁边的电子又会移动。通过如此反复，在电子向＋极移动的同时，看上去是空穴向－极移动。在此过程中实际运动的是电子，但是可以将空穴视为带 电荷的粒子。
◉ pn结的整流作用
p型半导体和n型半导体都可以通过电流，但并不像金属那样容易通过电流，因此如果只是为了通过电流，那么不需要使用半导体。将p型半导体和n型半导体结合到一起，就是pn结。pn结的特点在于可根据条件而通过或不通过电流。这一基本原理就是pn结的整流作用。
1. n型半导体加电压
n型半导体施加电压时，电子向正极移动。此时电流的方向与电子移动的方向相反。
2. p型半导体加电压
p型半导体，上面我们说过，可以将空穴视为带 电荷的粒子。因此p型半导体施加电压时实际移动的是电子，但看上去是空穴向负极移动。
3. 对pn结外加正向电压时
对pn结外加电压使P为正极，空穴和电子都向结面移动。当空穴与电子在结面（junction）相遇时，电子飞入空穴，两者抵消。此时，相应的新电子流入n层，同时电子从p层流出而产生新的空穴。如此反复，电流不断通过。
4. 对pn结反向外加电压时
对pn结外加电压使n为正极。空穴和电子向相互远离的方向移动，因此不会在结面相遇，电流无法通过。在结面附近会形成既无空穴又无电子存在的区域，叫做耗尽层，它会产生耐压。
◉ pn结构建芯片
有了pn结的整流作用，将pn结两端连接上导线，就叫二极管。将二极管与电阻、电容、三极管等分立原件可实现与门、或门和非门这些基本逻辑门电路，有了这些基本逻辑门电路，就可以组合实现更多的逻辑门，比如与非门、或非门、异或门、异或非门等，继而通过复杂的制作工艺可以构建出计算能力强大的芯片。
了解这些基础知识似乎并不会对升职加薪有直接的帮助，但我相信对技术视野和认知的影响是潜移默化的。任何看似非常复杂的事物，其底层都是由最简单的原理所构成。
