半導(dǎo)體芯片，到底是如何工作的？

今天這篇，我們繼續(xù)往下講，說說芯片的誕生過程——從真空管、晶體管到集成電路，從BJT、MOSFET到CMOS，芯片究竟是如何發(fā)展起來的，又是如何工作的。

█ 真空管（電子管）

• 愛迪生效應(yīng)

1883年，著名發(fā)明家托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）在一次實驗中，觀察到一種奇怪現(xiàn)象。

當(dāng)時，他正在進行燈絲（碳絲）的壽命測試。在燈絲旁邊，他放置了一根銅絲，但銅絲并沒有接在任何電極上。也就是說，銅絲沒有通電。

碳絲正常通電后，開始發(fā)光發(fā)熱。過了一會，愛迪生斷開電源。他無意中發(fā)現(xiàn)，銅絲上竟然也產(chǎn)生了電流。

愛迪生沒有辦法解釋出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，但是，作為一個精明的“商人”，他想到的第一件事，就是給這個發(fā)現(xiàn)申請專利。他還將這種現(xiàn)象，命名為“愛迪生效應(yīng)”。

現(xiàn)在我們知道，“愛迪生效應(yīng)”的本質(zhì)，是熱電子發(fā)射。也就是說，燈絲被加熱后，表面的電子變得活躍，“逃”了出去，結(jié)果被金屬銅絲捕獲，從而產(chǎn)生了電流。

愛迪生申請專利之后，并沒有想到這個效應(yīng)有什么用途，于是將其束之高閣。

1884年，英國物理學(xué)家約翰·安布羅斯·弗萊明（John Ambrose Fleming）訪問美國，與愛迪生進行會面。愛迪生向弗萊明展示了愛迪生效應(yīng)，給弗萊明留下了深刻的印象。

弗萊明

• 二極管

等到弗萊明真正用到這個效應(yīng)，已經(jīng)是十幾年后的事情了。

1901年，無線電報發(fā)明人伽利爾摩·馬可尼（Guglielmo Marconi）啟動了橫跨大西洋的遠程無線電通信實驗。弗萊明加入了這場實驗，幫助研究如何增強無線信號的接收。

簡單來說，就是研究如何在接收端檢波信號、放大信號，讓信號能夠被完美解讀。

放大信號大家都懂，那什么是檢波信號呢？

所謂信號檢波，其實就是信號篩選。天線接收到的信號，是非常雜亂的，什么信號都有。我們真正需要的信號（指定頻率的信號），需要從這些雜亂信號中“過濾”出來，這就是檢波。

想要實現(xiàn)檢波，單向?qū)ㄐ裕▎蜗驅(qū)щ姡┦顷P(guān)鍵。

無線電磁波是高頻振蕩，每秒高達幾十萬次的頻率。無線電磁波產(chǎn)生的感應(yīng)電流，也隨著“正、負、正、負”不斷變化，如果我們用這個電流去驅(qū)動耳機，一正一負就是零，耳機就沒辦法準(zhǔn)確地識別出信號。

采用單向?qū)щ娦?，正弦波的負半周就沒有了，全部是正的，電流方向一致。把高頻過濾掉之后，耳機就能夠輕松感應(yīng)出電流的變化。

去掉負半周，電流方向變成一致的，容易解讀

為了檢波信號，弗萊明想到了“愛迪生效應(yīng)”——是不是可以基于愛迪生效應(yīng)的電子流動，設(shè)計一個新型的檢波器呢？

就這樣，1904年，世界上第一支真空電子二極管，在弗萊明的手下誕生了。當(dāng)時，這個二極管也叫做“弗萊明閥”。（真空管，vacuum tube，也就是電子管，有時候也叫“膽管”。）

弗萊明發(fā)明的二極管

弗萊明的二極管，結(jié)構(gòu)其實非常簡單，就是真空玻璃燈泡里，塞了兩個極：一個陰極（Cathode），加熱后可以發(fā)射電子（陰極射線）；一個陽極（Anode），可以接收電子。

旁熱式二極管

玻璃管里之所以要抽成真空，是為了防止發(fā)生氣體電離，對正常的電子流動造成影響，破壞特性曲線。（抽成真空，還可以有效降低燈絲的氧化損耗。）

• 三極管

二極管的出現(xiàn)，解決了檢波和整流需求，當(dāng)時是一個重大突破。但是，它還有改進的空間。

德福雷斯特

1906年，美國科學(xué)家德·福雷斯特（De Forest Lee）在真空二極電子管里，巧妙地加了一個柵板（“柵極”），發(fā)明了真空三極電子管。