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图9.4：一个晶体管。
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图9.4描绘了一种改变世界的装置——晶体管。它展示了如果让一层P型硅被两层N型硅夹住会怎么样。之前对二极管的解释，在这里会对我们有帮助，因为思路基本上是一样的。电子从N型区域扩散至P型区域，而空穴向相反方向扩散，直至这种扩散被硅层接面两侧的电势阶跃所阻止。如果晶体管断路，这就好像有两个电子库被堤坝隔开，而一个满溢的空穴库位于中间。
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当我们对一侧的N型区和中间的P型区施加电压时，就会发生有趣的作用。施加正电压会使得左侧的台地上升（Vc单位）；同样，P型区的台地也会上升（Vb单位）。在中图中，我们用实线表明了这一点。这样安排电势，效果出人意料，电子因此涌过降低的中央堤坝，进入左侧的N型区域，形成瀑布（记住，电子“流上山坡”）。只要Vc大于Vb，电子流就是单向的，左侧的电子仍然不能流入P型区域。这些听起来可能平淡无奇，但我们刚刚描述的正是一个电子阀。通过对P型区域施加电压，就可以接通或断开电流。
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图9.5：晶体管的“管中水”类比。
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现在终于到了压轴——我们做好了准备，可以了解小小晶体管的完整潜能。图9.5再次利用与流水的类比，展示了晶体管的工作原理。“阀门关闭”的情形完全类似于没有电压施加在P型区域的情形。施加电压就相当于打开了阀门。在两根水管下方，也画出了通常用于表示晶体管的符号；只要稍加想象就能发现，它看起来甚至有点像阀门。
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图9.6：用水管和两个阀门（左）或者一对晶体管（右）制造的“与”门。要制造电脑，后者适合得多。
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用阀门和水管可以做什么呢？答案是，可以建造计算机。如果这些阀门和管道可以做得足够小，就能建造真正的计算机。图9.6示意地展示了如何用带有两个阀门的水管，来构造一种叫作“逻辑门”的东西。在图的左侧，水管的两个阀门都开启，水就可以从底部流出。在图的中间和右侧，水管都有一个阀门关闭；显然水不能从底部流出。笔者偷懒没有展示第四种可能，就是两个阀门都关闭。如果用数字“1”表示有水从底部流出，数字“0”表示没有；用数字“1”表示阀门开启，数字“0”表示阀门关闭，则可以将水管的四种结果（三种画出，一种没有）总结在方程“1与1=1”“1与0=0”“0与1=0”和“0与0=0”中。在这里，“与”是一种逻辑运算，这个词的用法是技术性的——刚才描述的水管和阀门系统叫作“与门”（AND gate）。与门接受两个输入（两个阀门的状态），得到输出“1”的唯一方法是输入一个“1”和另一个“1”。笔者希望在图中以电路表示、用两个串联的晶体管来建立与门的方法是清楚的。可以看出，只有当两个晶体管都开启（即在P型区域的电压Vb1和Vb2均为正）时，才可能通过电流，而这正是实现与门所需的。
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图9.7：用水管和两个阀门（左）或一对晶体管（右）制造的“或”门。
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图9.7展示了一种不同的逻辑门。这次，只要任意一阀门开启，水就能从底部流出；只有阀门都关闭时，水才不会流出。这就是所谓的“或门”。用跟前面相同的记号表达，“1或1=1”“1或0=1”“0或1=1”以及“0或0=0”。相应的晶体管电路也如图所示。现在除了两个晶体管都关闭的情况，电流都能流动。
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类似这样的逻辑门，是数字电子设备之所以强大的秘密。从这些简单的构件出发，人们可以通过组装逻辑门实现任意复杂的算法。可以想象，对某个逻辑电路指定一组输入（一串“0”和“1”），将这些输入通过某种复杂的晶体管构型处理而得到一列输出（也是一串“0”和“1”）。这样，就可以设计电路，进行复杂的数学计算；或者根据键盘上被按下的键做出决策，将这些信息反映给处理单元，并在屏幕上显示出相应的字符；或者在有入侵者破门而入时触发警报；或者将文本字符流通过光缆（编码为一串二进制数字）发送到世界的另一端……事实上，你能想到的任何东西都可以，因为我们拥有的每一个电子设备里几乎都挤满了晶体管。
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晶体管的潜力无限，而我们已经用它极大地改变了世界。说晶体管是过去一百年以来最重要的发明，毫不夸张。现代世界基于半导体技术，并由它塑造。在实用的层面上，这些技术拯救了数百万人的生命——笔者要特别指出计算设备在医院中的应用，快速、可靠和全球化的通信系统带来的好处，以及计算机在科研和控制复杂生产过程中的使用。
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威廉·布·肖克利（William B. Shockley）、约翰·巴丁[181]（John Bardeen）和沃尔特·豪·布拉顿[182]（Walter H. Brattain）在1956年因“他们对半导体的研究和发现晶体管效应”，被授予诺贝尔物理学奖。或许还没有过哪项被授予诺贝尔奖的研究工作能直接改变那么多人的生活。
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[177]本章所讲的晶体管全称双极性晶体管，俗称三极管；另一类晶体管名为场效应管。
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[178]虽然这个定义已经是约定俗成的，我们同样可以将导带电子的运动方向定义为电流方向。
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[179]state of equilibrium，指同时发生正向和反向的变化，而净效应为零的动态平衡。
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[180]如果考虑电势能等于电荷与电势的乘积，则电子受到电势能下降方向的力，方向就和山坡类比一致了。
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[181]约翰·巴丁，1908年生于美国威斯康辛州麦迪逊，1991年卒于华盛顿州斯波坎，美国物理学家。
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[182]沃尔特·豪·布拉顿，1902年生于中国福建省厦门，1987年卒于美国华盛顿州斯波坎，美国物理学家。
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