來(lái)個(gè)簡(jiǎn)單小測(cè)試，讓你真正了解晶體管

摩爾定律是由Intel 創(chuàng)始人之一的Gordon Moore 所提出來(lái)的：「集成電路(IC) 上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔兩年便會(huì)增加一倍?！苟鳬ntel 執(zhí)行長(zhǎng)David House更曾言：「約每18 個(gè)月，芯片的效能將提高一倍(即更多的晶體管使其更快)。」

半導(dǎo)體行業(yè)大致按照摩爾定律發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，對(duì)二十世紀(jì)后半葉的世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)做出了貢獻(xiàn)，并驅(qū)動(dòng)了一系列科技創(chuàng)新、生產(chǎn)效率的提高和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。個(gè)人電腦、網(wǎng)際網(wǎng)路、智慧型手機(jī)等技術(shù)改善和創(chuàng)新都離不開(kāi)摩爾定律的延續(xù)。

由于現(xiàn)代電腦、手機(jī)與家電的CPU 、GPU 等許多零件，都是以晶體管(Transistor) 為基本元件制成的集成電路(Integrated Circuit)。要了解電腦的大腦── CPU 運(yùn)作的基本原理，有關(guān)邏輯電路的基礎(chǔ)知識(shí)便十分重要。

先前我們?cè)跒槭裁措娔X是只有0與1的世界？世界上只有10種人，一種是懂二進(jìn)位的 一文中介紹了AND、OR、NOT等邏輯門，和要怎么用邏輯門建立出邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。

然而我們卻還沒(méi)介紹「邏輯門是怎么建構(gòu)出來(lái)的」和「晶體管的功用是什么」這兩個(gè)重要的問(wèn)題。今天就讓我們來(lái)了解一下，如何利用晶體管來(lái)建立出邏輯門吧！

一天到晚聽(tīng)到半導(dǎo)體、CMOS、晶體管等名詞，卻搞不懂它的意義或功能嗎？來(lái)個(gè)簡(jiǎn)單的小測(cè)試：

如果你看得懂以上「CMOS」在維基百科的說(shuō)明文字，包括NMOS、PMOS，還有左方反相器(Inverter)的示意圖，歡迎關(guān)閉離開(kāi)這篇文章。若不太理解…今天這篇文章的任務(wù)很簡(jiǎn)單，保證閱讀完畢后一看就懂。讓我們開(kāi)始吧！

目前制作晶體管主流技術(shù)是采用一種稱為「金氧半場(chǎng)效晶體管」 ( M etal- O xide- Semiconductor F ield- E ffect T ransistor）的技術(shù)，采用這個(gè)名稱的原因是因?yàn)槠渲邪粚友趸瘜樱l極(Gate)上可能會(huì)采用金屬作為材質(zhì)(但不一定要用金屬)。

因此又可稱MOSFET、MOS 晶體管。MOS 晶體管主要又分成兩種類型，一種為nMOS 晶體管、一種為pMOS 晶體管。

圖為nMOS 晶體管和pMOS 晶體管的電路符號(hào)

MOS 晶體管對(duì)外有三個(gè)連接：源極(Source)、汲極(Drain) 與閘極(Gate)。只看這個(gè)符號(hào)可能會(huì)覺(jué)得非常抽象，讓我們舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

MOS 晶體管的工作原理和水龍頭很類似，電路中的電流就好比水管中的水流，水流的來(lái)源就是「Source」、水流出的地方稱為「Drain」，控制水流的水龍頭就是「Gate」。如果把Gate 打開(kāi)，電流就會(huì)從Source 流到Drain，相當(dāng)于導(dǎo)通晶體管。

nMOS 晶體管導(dǎo)通的條件是在Gate 端連接高電位；若Gate 端連接低電位時(shí)，nMOS 晶體管就不會(huì)導(dǎo)通。另一方面，當(dāng)pMOS 的Gate 端連接低電位時(shí)，晶體管會(huì)導(dǎo)通、連接高電位則不導(dǎo)通。

就好似有兩種類型的水龍頭，一種將把手向上拉才會(huì)出水、另一種將把手向下壓才會(huì)出水。

如果我們將 nMOS 與pMOS 兩組功能互相對(duì)應(yīng)的MOS晶體管組合在一起，就能做出一種非常省電的電路，稱為CMOS (互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)。而CMOS 也是目前實(shí)現(xiàn)集成電路最普遍的作法。

CMOS 雖然耗費(fèi)了相當(dāng)多的邏輯門，但是省電又不容易發(fā)熱，因此廣泛被用在制作處理器、記憶體等數(shù)位邏輯電路上，因此CMOS 在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上占有非常重要的地位。

接下來(lái)，就讓我們來(lái)看看：如何用晶體管建構(gòu)出邏輯門？先從其中最簡(jiǎn)單的一種邏輯──NOT講起。也就是用nMOS和pMOS建構(gòu)出NOT邏輯門。

從圖中可看出NOT Gate 的工作原理很簡(jiǎn)單，只要用兩個(gè)晶體管便能實(shí)現(xiàn)。

電路圖中的A 同時(shí)連接到了兩個(gè)晶體管的Gate端，一個(gè)nMOS 晶體管、一個(gè)pMOS 晶體管。

當(dāng) A 為0 時(shí)，對(duì)于pMOS 晶體管來(lái)說(shuō)、它的 Gate 端為0 時(shí)是導(dǎo)通的，所以電源這一端的1 就能傳導(dǎo)過(guò)來(lái)；同時(shí)，nMOS 的Gate 端連接0 時(shí)是不導(dǎo)通的。所以最后X 這條電路就接到1。

這就是NOT 邏輯門使輸入電路A 為0、輸出電路X 為1 的運(yùn)作原理。

同理，電源是1、低電位是零，當(dāng)A 為1 時(shí)，上面pMOS 的Gate 端是1，所以處于關(guān)閉狀態(tài)。而下面nMOS的Gate 端為1 時(shí)，就處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)X 的輸出就是0。

接著，讓我們來(lái)看看AND 邏輯門的實(shí)現(xiàn)原理。

右邊的電路圖為NAND 電路原理，其中包含四個(gè)晶體管。NAND 邏輯門的真值表和AND 相反，為AND 再取NOT 的結(jié)果。我們需要的功能雖然是AND 邏輯門，在這邊為什么卻不放AND 電路圖，而是放一個(gè)NAND 呢？

這是因?yàn)閷?shí)際上NAND 邏輯門的實(shí)現(xiàn)方式比AND 邏輯門更簡(jiǎn)單，所以通常會(huì)用一個(gè)NAND 加上一個(gè)NOT，就能很簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)AND 邏輯門的功能。

A、B 各連接了一個(gè) pMOS Gate、一個(gè)nMOS Gate。

當(dāng)B 等于1 時(shí)，B 連接的pMOS Gate (左上方第一個(gè)晶體管) 不會(huì)導(dǎo)通；同時(shí)，B 連接的nMOS Gate(右下方晶體管) 由于Gate 端為1 時(shí)會(huì)導(dǎo)通，即把0 傳遞過(guò)來(lái)。

同理，A 連接的 pMOS Gate 不會(huì)導(dǎo)通、nMOS 繼續(xù)導(dǎo)通將0 傳給電路X，最后輸出即為0。

也就實(shí)現(xiàn)了NAND 電路：A = 1, B = 1 → X = 0 的目標(biāo)。

讀者可以自己試著畫畫看A 、 B 的其他三種輸入，應(yīng)該能出現(xiàn)NAND 全部的輸出結(jié)果。以下為示意圖：

另外，還有OR 邏輯門、XOR 邏輯門…。事實(shí)上，所有的邏輯線路都可以用NAND 來(lái)合成，NAND 也被人稱作萬(wàn)用邏輯門。

用一個(gè)NAND 邏輯門，就能做出NOT、AND、OR 等邏輯門

最后的最后，帶大家重新看看CMOS的維基百科說(shuō)明。NMOS和PMOS已經(jīng)為大家介紹過(guò)了；而左邊那張圖…你發(fā)現(xiàn)了嗎？事實(shí)上就是「NOT邏輯門」，也就是「用NMOS和PMOS組出的NOT電路圖」。NOT邏輯門的另一個(gè)名字也叫Inverter。

不要被 靜態(tài)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體反相器 …這一長(zhǎng)串咒語(yǔ)騙到啦！翻成英文就只是CMOS Inverter (NOT logic gate)，此圖只是取所有CMOS邏輯門中、最簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的一種來(lái)作CMOS的范例。