半導體
什么是半導體
半導體（semiconductor）
半導體指常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的材料。
硅元素
高純的單晶硅是重要的半導體材料。在單晶硅中摻入微量的第IIIA族元素，形成p型硅半導體；摻入微量的第VA族元素，形成n型和p型半導體結合在一起，就可以完成輻射能電能相互轉化的裝置。
摻雜
摻雜是在硅中加入一些元素形成空穴或自由電子的過程。
N型硅（Negative）
如果在硅中加入P元素，P和Si形成共價鍵而P的第五個價電子沒有被共價鍵束縛，在原子周圍游盪。
如果一個電壓加到Si-P混合物，這個電子將會受到電場力穿過摻雜的硅片向電勢高的地方移動。
P型硅(Positive)
如果在硅片中加入B元素，那么B和Si結合形成共價鍵，而B只有3個價電子，所以會形成空穴。
如果在這種晶片上施加電壓，那么相鄰電子在受到電場力的作用下來補上空穴，使得空穴向電勢低的方向移動。
二極管
PN結二極管的工作原理
正向偏置
當二極管的P極連接到一個電池的正極，N連接到該電池的負極，此時N型區的電子和P型區的空穴受到電場作用向PN結推進，電子與空穴結合，電流通過二極管。
反向偏置
當二極管的P極連接到一個電池的負極，N連接到該電池的正極，此時N型區的電子和P型區的空穴受到電場作用向兩端分離，阻隔電流通過二極管。
雙極型晶體管
雙極型晶體管是三端器件，可以用做開關或放大器。
雙極型晶體管的工作原理
以NPN型晶體管為例：
當在C端施加一個正向電壓，E極接地后，由於受到電場作用，C端N型硅的負電子向C端聚集，中間的P型硅的空穴向E端聚集，此時中間形成一個激發電場，和原電場大小相等方向相反，互相抵消，所以E端N型硅的電子不會受到電場作用（圖左所示）。
此時若在BE極施加一個正向電壓（至少0.6v），額外的電場將會使得E極N型硅的電子向P型硅聚集，越過空穴，形成電流（圖左所示）。
MOS晶體管實現基本門
nMOS晶體管的工作原理
當在Gate端施加電壓VDD時，受到電場的作用，在兩個N型硅的中間聚集了許多電子，形成了一個有自由電子的通道Channel，此時在Source和drain施加電壓，電子便在Channel的輔助下形成電流。
PMOS晶體管的工作原理
和nMOS工作機制正好對稱，pMOS的Substrate的電壓為VDD，此時Channel部分形成空穴管道，在Source和drain兩端的電勢差作用下，形成電流。
CMOS非門
CMOS與非門
CMOS或非門
CMOS傳送門
其他的基本門根據布爾代數運算符的完備性可以用NOT和NAND或NOT和NOR電路組合來實現。
參考資料
[1] 數字設計和計算機體系結構 2ed
[2] Practical Electronics for Inventors 5ed