3D動畫揭秘CPU內部電晶體是如何運作的 #科普知識 #科普創世紀 #automobile #發明 #science #科学

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#科普創世紀#科普知識#原理
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這是計算機的大腦CPU
CPU裡面最重要的就是下面這塊芯片
這是將芯片放大到100萬倍後的樣子
可以看到芯片內部都是一個個的晶體管
這些晶體管長這樣子
一塊CPU大概有上百億個這樣的晶體管
那這些晶體管是怎麼工作的呢?
根據九年義務學到的知識
一個原子 最外層電子為8個時
是最穩定的
而芯片主要材料是硅
硅的最外層有4個電子
它與周圍的硅原子共享電子
從而使外層電子達到了8個
處於最穩定狀態
所以也就不會導電
怎麼讓硅導電呢?
答案就是摻雜
摻雜有兩種方式
一種是摻雜磷元素
磷元子最外層有5個電子
它與硅原子結合後
會多出來一個自由電子
這個電子可以自由移動
還有一種是摻雜鵬元素
鵬元子最外層只有3個電子
與硅原子結合時
就缺少一個電子
這就會導致其他原子會移動到這個空穴上來
摻雜磷元素的半導體帶負電
稱為N型半導體
而摻雜鵬元素的半導體帶正電
稱為P型半導體
當N型半導體和P型半導體相遇時
精彩的部分來了
N型半導體的電子就會向P型半導體移動
從而失去電子
成為電中性
而P型半導體由於空穴被填充
也成為了電中性
這就在正中間形成一塊耗盡層
電子不再移動
這時我們向半導體施加電壓
N型半導體就會產生向P型半導體移動的力
導致電子向P型半導體流動
並沿著電線移動
電流就產生了
如果將電池導過來
改變正負極連接
P型半導體本身帶正電
所以被電池負極吸引
而N型半導體本身帶負電
所以被電池正極吸引
中間的耗盡層也變得更大
電子不再流動
也就不會產生電流了
PN型半導體的這種特性
也正是二極管的特性
因此常用來製作二極管
除了PN型半導體
我們還可以這樣
在PN半導體上再連接一個N型半導體
然後將中間的P型半導體變薄
將這種半導體
用兩個電池連接起來
在左邊就會有電流通過
而右邊的沒有電流通過
這時候在左邊再增加一塊電池
隨著向負極推進的力量增大
出現了超越P型半導體的電子
隨著電荷的移動
右邊也會有電流流動
根據這種特性
就可以製成晶體管了
半導體裡有上百一個這樣的晶體管
雖然體積很小
但不可能在一個小芯片裡
放入這麼多這樣的晶體管
所以這種晶體管
被進一步改進成了莫斯晶體管
莫斯晶體管
也是用P型半導體和N型半導體組合的
它的頂部是山脊
山脊下面是一層居原層
防止導電
藍色部分是P型半導體
左右兩邊是N型半導體
當在N型半導體兩端接上電壓
電流是不會流動的
但是如果我們在山脊掛上電壓
就會產生電潮
這就導致電子會被吸引過來
在N型半導體之間形成一條通路
這時如果施加電壓
電流就能流動了
也就是說我們只要控制山脊就行了
山脊通電壓
電流就能流動
不通電壓
電流就不能流動
晶體管可以通過晶體管符號來表示
利用這種晶體管
我們就可以製造出非常多的邏輯門電路
比如我們把兩個晶體管這樣連接起來
當A和B都有電壓時
電流就會流動
如果有一個關了
電流就不會流動
電流通過則為1
電流不通過則為0
這樣我們就可以處理計算機的二進制數據了
我們還可以連接成各種不同的邏輯門電路
這些電路再通過不同的組合
從而設計出更複雜的電路
這些電路完美融合
組成了整個CPU的大腦
而這一切都得益於晶體管的發明與創造
這是日軍在二戰時期使用的製彈筒
你只需要將榴彈放進去
底板固定在地面
並將發射器朝敵人的方向傾斜
然後拉動發射器上的扳機
榴彈發射器的撞針就會被釋放
在彈簧的作用下
撞針快速撞向榴彈的底火
點燃榴彈內的推進器
從而推動榴彈向前飛行
當榴彈擊中目標時
撞擊會激活榴彈頭部的引線
從而引爆榴彈內部的火藥
除了這種榴彈發射器
小日子還有一款槍榴彈
直接將榴彈放進步槍槍管中
當扣動扳機時
依靠空包彈產生的推力
點燃手榴彈底火
延遲引線在燃燒7到8秒後
雷管被點燃
引燃內部火藥
從而形成強烈的爆炸
二戰結束後
美國已開始研製榴彈發射器
這種發射器使用起來更簡單
只需將榴彈放入槍管即可
發射時通過瞄準具進行瞄準
當扣動扳機時
撞針撞擊底火
引燃發射藥
高壓氣體將炮彈推出炮管
炮彈在飛行過程中會不停地旋轉
當飛行一段距離後
手榴彈旋轉產生的離心力
使球內的雷管與機針對齊
當它擊中目標後
慣性將機針後推
從而點燃火藥
導致炮彈最終爆炸
但是這種榴彈發射器
在1975年退出美軍現役
後來美軍又研製了M203榴彈發射器
該發射器可以安裝在M16步槍下方
將發射器槍管向前推動
就能放入榴彈
扣動扳機後
點燃發射藥
從而實現發射
但是這種發射器有個問題
如果榴彈過長
就無法使用
後來又進行了升級改進
可以從側邊放入榴彈
並增加了握把
可以從步槍上面拆卸下來單獨使用
同時還安裝了可伸縮肩拖
以上這些榴彈發射器都有一個弊端
就是每次只能發射一枚榴彈
為瞭解決這個問題
美國又研製了當三二榴彈發射器
它能一次裝載六枚榴彈
跟左輪手槍類似
拉動前方的拉桿
同時轉動握把
就能打開彈匣
由於缺少連動裝置
裝彈時需要逆時針轉動彈匣
這樣就能給中心發條上弦
裝入彈藥後
當扣動扳機時
撞針點火
榴彈就能發射了
當子彈出膛的瞬間
膨脹的氣體會推動活塞向上運動
彈頭在彈簧作用下自動旋轉
子彈轉過來
又被卡扣鎖住
從而實現連續射擊
這是一個電路
我們在電路上連接一個二極管
當電路通上交流電時
電路上的燈泡會不斷地關閉和打開
從而不停地進行閃爍
這是為什麼呢?
我們打開二極管
可以發現
二極管採用硅進行製造
硅的外層有四個電子
為了保持穩定狀態
它會跟相鄰的硅原子共用電子
從而達到八個電子的穩定狀態
這種情況下
硅是不導電的
為了使硅具有導電性
需要對硅進行摻雜
我們首先摻入磷元素
磷元素外面有五個電子
它與硅相結合時
會多出來一個電子
這些電子可以自由移動
從而形成一個半導體
這種半導體也被稱為N型半導體
除了摻雜磷元素
我們還可以摻入硼元素
硼元素的外部只有三個電子
它與硅原子相結合時
會缺少一個電子
形成一個空穴
這種半導體也被稱為P型半導體
現在我們將N型半導體
和P型半導體組合在一起
就組成了一個PN結
由於N型半導體有自由電子
在PN結的連接處
N型半導體的自由電子
就會流向P型半導體
從而填充P型半導體的空穴
由於P型半導體得到電子
那麼P型半導體的邊界處
就會帶上負電荷
而N型半導體失去電子
它的邊界處就會帶上正電荷
這會產生一個內建電場
導致電子無法繼續往P型半導體流動
從而在PN結中間產生一道屏障
這道屏障也被稱為耗盡區
現在我們在PN結上連接一個電源
正極連接P型半導體
負極連接N型半導體
當電池電壓足夠大時
那麼N型半導體內的自由電子
就會克服耗盡區產生的屏障
從而來到P型半導體
自由電子會不斷向下一個空穴移動
最終將整個電路導通
如果我們將電池換個方向會發生什麼呢
這會導致負極這邊的電子
填充P型半導體的空穴
使得N型半導體的電子
無法向P型半導體的空穴移動
同時在正極的吸引下
N型半導體的電子會向正極移動
這會使得PN結的耗盡層越來越大
慢慢的電子無法克服耗盡層這道屏障
最終電子就不會再流動了
整個電路也就停止導通
我們回到開頭的電路
由於電路接入的是交流電
交流電的正負極是會不斷變換的
而電池是直流電
這就相當於我們不停地
來回變換電池的方向
使得PN結一會導通
一會截止
那麼燈泡也就不停閃爍了
現在我們如圖所示接上一個二極管
當通上交流電時
最終產生的將是如右圖所示的單方向直流電
現在我們在二極管旁邊
再接上一個方向相反的二極管
這樣一來
就能產生一個連續的直流電了
這就是二極管的整流作用
也是二極管最常用的功能之一
