3D动画讲解：晶体管的工作原理

1947年，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体元件。

由于晶体管具有功耗低、体积小、价格相对便宜、连接方式灵活等特点，晶体管问世后，很多之前不能实现的功能在电子线路特别是脉冲电路、数字电路中得以实现，让我们一块捋一捋。下面这个视频讲的比较直观、透测，是学习科普的极佳作品，建议大家看看（有翻译）！

（视频来源：TEDEd，翻译：@Turbo小小周）

下面这个动画是LearnEngineering制作的，视频中我们可以很直观的学习晶体管的工作原理，晶体管有三个极；双极性晶体管的三个极，分别由N型跟P型组成发射极（Emitter）、基极(Base) 和集电极（Collector）;场效应晶体管的三个极，分别是源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）。

晶体管则主要包括 MOSFET、IGBT、双极性晶体管Bipolar（也叫三极管）等。在这三种晶体管的市场竞争格局方面，三极管的市场相对比较分散，因其价格低，在少数价格敏感、感性负载驱动等应用中还有一定需求，但由于三极管存在功耗偏大等问题，在全球节能减排的大环境下，其市场规模总体趋于衰退，正在被MOSFET所取代。

芯片晶体管横截面

晶体管是电子电路的核心元件，主流的晶体管包括 MOSFET 和 IGBT 两种，前者具有驱动简单、高频特性好的特点，具有双向导电特性，主要用于高频率，低功率的工作环境，广泛运用于消费电子、通信、工控和汽车电子等领域；IGBT 则具有开关频率高、不耐超高压和可改变电压等特征，主要适用于低频率、高功率的工作环境，广泛应用于逆变器、变频器和电源开关等领域，被称为电子行业的“CPU”。

芯片中可以有100多亿个晶体管，如此之多的晶体管，会是怎样的存在呢，当芯片被不停地放大后，我们看到了一个奇迹：

这是一个Top-down View 的SEM照片，可以非常清晰的看见CPU内部的层状结构，越往下线宽越窄，越靠近器件层。

这是CPU的截面视图，可以清晰的看到层状的CPU结构，芯片内部采用的是层级排列方式，这个CPU大概是有10层。其中最下层为器件层，即是MOSFET晶体管。

Mos管在芯片中放大可以看到像一个“讲台”的三维结构，晶体管是没有电感、电阻这些容易产生热量的器件的。最上面的一层是一个低电阻的电极，通过绝缘体与下面的平台隔开，它一般是采用了P型或N型的多晶硅用作栅极的原材料，下面的绝缘体就是二氧化硅。

平台的两侧通过加入杂质就是源极和漏极，它们的位置可以互换，两者之间的距离就是沟道，就是这个距离决定了芯片的特性。

拥有2.6万亿晶体管的芯片，来自Cerebras系统公司

当然，芯片中的晶体管不仅仅只有Mos管这一种类，还有三栅极晶体管等，晶体管不是安装上去的，而是在芯片制造的时候雕刻上去的。