晶体管工作的三种状态（晶体管是如何工作的）

晶体管是一种放大电信号并通过电信号控制电流开/关的元件。晶体管是组装电子设备逻辑电路的必要部件，毫不夸张地说，当今计算机的发展伴随着晶体管的进步。YouTube频道The Engineering Mindset在一部网络视频《How Transistors Work》中，解释了晶体管是如何工作的。

晶体管通常被描述为供水管道。流过晶体管的基极电流是流过管道的水。该管道中的水流被塞子(Disc)阻塞。塞子与管道旁边流动的细管中的“摆动闸门（Swing gate）”相连。

当少量水流过细管时，摆动闸（Swing gate）打开，管塞器(Disc)同时打开。换句话说，如果水流过细管，管道中的水也会流动，基极电流控制另一部分的电流流动。

当然，水不会在实际晶体管中流动。晶体管中使用的材料称为半导体。容易导电的材料称为“导体”，不易导电的材料称为“绝缘体”。半导体导电性在两者中间。

要了解半导体是什么，我们需要了解原子的结构。下面是一个简单的玻尔模型显示原子的结构。中心的黑色球体是原子核，绿色球体是电子，电子的轨道是电子壳层。最外层的活化是最外层的壳（价壳层 (valence shells)），周围区域是导带（conduction band）。

导带是最外层层外的能量带，在这个导带中激发的电子可以表现得相对自由。绝缘体具有电流难以流动的特性，因为最外层壳层中的电子难以激发到导带中。相反，在金属等导体中，最外层层的电子很容易被激发到导带，因此电流很容易流动。半导体的特性是，当加热或通电时，导电的容易程度会发生变化。

晶体管中使用的半导体是“杂质半导体(extrinsic semiconductor）”，其中磷和硼等杂质被植入硅中。半导体有两种类型：N型半导体和P型半导体。

硅（Si）最外层的四个电子是用于与其他原子反应的“价电子”，也就是说，一个原子有四只手。然后，四个硅原子通过一个“共价键”与一个硅原子结合，该键共享一对电子，一个是它自己的价电子，另一个是另一个原子的价电子。

然后，N型半导体将通过称为掺杂的过程将磷（P）注入该硅结构中。磷有五个价电子，所以如果把它掺入硅的结构中，硅有四个价电子，它必然会有多余的电子。

相反，P型半导体是那些只有三个价电子的原子（如铝（Al）和硼）被植入硅结构中的半导体。与N型半导体相反，P型半导体不可避免地耗尽了电子。

当这种N型半导体和P型半导体连接时，电子在接触面上交换。然而，电子只在接触表面上移动，电子不会在整个半导体上移动。

然而，当对这两种半导体施加高于一定水平的电压时，电子会移动。

晶体管具有将这种N型半导体和P型半导体组合在一起的结构，并且有两种类型：NPN型和PNP型。

晶体管有三个极：发射极、基极和集电极。在NPN型的情况下，发射极连接到一个N型半导体，基极连接到中央P型半导体，集电极连接到另一个N型半导体。

当小电流通过发射极和基极时，电子开始在发射极侧的N型和P型半导体之间移动。

当发射极和集电极连接时，电流流过。通过使少量电流通过发射极和基极，在发射极和集电极之间产生较大的电流变化，允许晶体管放大输入信号并打开和关闭电流。由于这种“电流开/关”可以表示二进制数0和1，因此晶体管成为配置计算机逻辑电路的重要组成部分。