芯片, 到底是如何工作的?

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芯片, 到底是如何工作的?

来源：跳高的鱼 发布时间：2023-12-15 21:13

上一篇文章（《写给小白的芯片半导体科普》），小枣君给大家介绍了一些芯片半导体的基础知识。

今天这篇，我们继续往下讲，说说芯片的诞生过程——从真空管、晶体管到集成电路，从BJT、MOSFET到CMOS，芯片究竟是如何发展起来的，又是如何工作的。

真空管（电子管）

爱迪生效应

1883年，著名发明家托马斯·爱迪生（ThomasEdison）在一次实验中，观察到一种奇怪现象。

当时，他正在进行灯丝（碳丝）的寿命测试。在灯丝旁边，他放置了一根铜丝，但铜丝并没有接在任何电极上。也就是说，铜丝没有通电。

碳丝正常通电后，开始发光发热。过了一会，爱迪生断开电源。他无意中发现，铜丝上竟然也产生了电流。

爱迪生没有办法解释出现这种现象的原因，但是，作为一个精明的“商人”，他想到的第一件事，就是给这个发现申请专利。他还将这种现象，命名为“爱迪生效应”。

现在我们知道，“爱迪生效应”的本质，是热电子发射。也就是说，灯丝被加热后，表面的电子变得活跃，“逃”了出去，结果被金属铜丝捕获，从而产生了电流。

爱迪生申请专利之后，并没有想到这个效应有什么用途，于是将其束之高阁。

1884年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明（JohnAmbroseFleming）访问美国，与爱迪生进行会面。爱迪生向弗莱明展示了爱迪生效应，给弗莱明留下了深刻的印象。

二极管

等到弗莱明真正用到这个效应，已经是十几年后的事情了。

1901年，无线电报发明人伽利尔摩·马可尼（GuglielmoMarconi）启动了横跨大西洋的远程无线电通信实验。弗莱明加入了这场实验，帮助研究如何增强无线信号的接收。

简单来说，就是研究如何在接收端检波信号、放大信号，让信号能够被完美解读。

放大信号大家都懂，那什么是检波信号呢？

所谓信号检波，其实就是信号筛选。天线接收到的信号，是非常杂乱的，什么信号都有。我们真正需要的信号（指定频率的信号），需要从这些杂乱信号中“过滤”出来，这就是检波。

想要实现检波，单向导通性（单向导电）是关键。

无线电磁波是高频振荡，每秒高达几十万次的频率。无线电磁波产生的感应电流，也随着“正、负、正、负”不断变化，如果我们用这个电流去驱动耳机，一正一负就是零，耳机就没办法准确地识别出信号。

采用单向导电性，正弦波的负半周就没有了，全部是正的，电流方向一致。把高频过滤掉之后，耳机就能够轻松感应出电流的变化。

去掉负半周，电流方向变成一致的，容易解读

为了检波信号，弗莱明想到了“爱迪生效应”——是不是可以基于爱迪生效应的电子流动，设计一个新型的检波器呢？

就这样，1904年，世界上第一支真空电子二极管，在弗莱明的手下诞生了。当时，这个二极管也叫做“弗莱明阀”。（真空管，vacuumtube，也就是电子管，有时候也叫“胆管”。）

弗莱明发明的二极管

弗莱明的二极管，结构其实非常简单，就是真空玻璃灯泡里，塞了两个极：一个阴极（Cathode），加热后可以发射电子（阴极射线）；一个阳极（Anode），可以接收电子。

旁热式二极管

玻璃管里之所以要抽成真空，是为了防止发生气体电离，对正常的电子流动造成影响，破坏特性曲线。（抽成真空，还可以有效降低灯丝的氧化损耗。）

三极管

二极管的出现，解决了检波和整流需求，当时是一个重大突破。但是，它还有改进的空间。

1906年，美国科学家德·福雷斯特（DeForestLee）在真空二极电子管里，巧妙地加了一个栅板（“栅极”），发明了真空三极电子管。

德·福雷斯特发明的三极管

加了栅极之后，当栅极的电压为正，它就会吸引更多阴极发出的电子。大部分电子穿过栅极，到达阳极，将大大增加阳极上的电流。

如果栅极的电压为负，阴极上的电子就没有动力前往栅极，更不会到达阳极。

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