人类是怎么管住电子的
这个事情得从 1883 年说起。爱迪生那会儿还在折腾他的灯泡，灯丝用的是碳。但碳丝有个问题，太不经烧了，一通电一发热，碳就慢慢蒸发掉了。他就随手在碳丝旁边塞了一根铜丝，想着兴许能让灯丝多撑一会儿。灯丝没救活，但他撞见了一件很奇怪的事：灯一亮，那根压根没碰到碳丝的铜丝上，居然测出了微弱的电流。
这个电流是哪来的啊？铜丝跟碳丝之间明明是空的吧？爱迪生自己也没搞明白这玩意儿有什么用，但发明家的习惯就是先申请专利再说，他顺手给它起了个名字，叫「爱迪生效应」。
灯丝烧红了，电子自己会蹦出来
灯丝被烧到红热的时候，里面的电子也跟着变得特别活跃，开始往四周乱蹦。书上管这个叫热电子发射，说白了大概就是烫得受不了，电子自己跳出去了。蹦出来的电子有一部分正好落在旁边的铜丝上，就成了爱迪生看到的那股微弱电流。
接下来就好办了：把铜丝换成一个可以加电压的电极。给它加正电，电子天生就被正电吸引，哗啦啦全冲过去，电流一下就大了。那反过来给它加负电呢？蹦出来的电子直接掉头就跑，电路等于断开。
所以一边加热、负责发射电子，这边叫阴极；另一边负责接收电子，叫阳极。电流只能从一个方向走，反着走不通——只认一个方向的这个东西，就是二极管。
二极管最拿手的活儿是把交流电变成直流电：电流顺着来的时候放行，反着来的时候堵死，几个二极管搭一个桥式电路，来回摆的交流电就被捋成平直的直流电了。你家充电器干的本质上就是这个事情。
加一张金属网，弱电流就能指挥强电流
在阴极和阳极中间再塞一张金属网，给这张网也通上电，让它带一个电场。这下电子从阴极飞向阳极，中间得先过这张网的关：网上的电场强一点，被拦下来的电子就多；弱一点，放过去的就多。
这张网叫栅极，加了栅极的管子就是三极管。它妙的地方在于，网上的电压只要动一点点，穿过去的电子数量就跟着大变。等于你用一个很弱的信号，去控制了一股很强的电流。或者换个说法，弱信号被放大成了强信号。到今天还有一帮发烧友抱着电子管做胆机听歌，用的就是这个放大能力（UP 主 Redknot 老实交代，他自己也没听出来跟别的有啥不一样）。
三极管里栅极上一个微弱电压的小变化，就能大幅改变穿过的电子数量——弱信号被放大成强电流。
但电子管的毛病也很明显。灯丝得一直烧到红热，发热和功耗都很吓人；开机还得等三到十秒预热；为了不让灯丝在空气里氧化，整个管子还得用玻璃壳抽成真空。这一套下来，电子管根本做不小。所以它现在基本退出日常生活了，只在微波炉的磁控管、CT 机的 X 光发射器这些角落里还在用。
那问题来了：能不能不烧灯丝，也把电子管住啊？
不烧灯丝，照样能管住电子
主角换成硅。硅原子最外层有四个电子，跟周围四个硅原子手拉手组成共价键，电子全被拴得死死的，所以纯硅其实是不导电的。
想让它导电，得往里面掺点别的东西进去，这一步叫掺杂。掺一点磷，磷最外层有五个电子，多出来的那一个没地方拴，就成了自由电子——这块硅靠带负电的电子导电，叫 N 型。反过来掺一点硼，硼最外层只有三个电子，反而缺一个，缺的那个位置就留下一个「空穴」——这块硅靠带正电的空穴导电，叫 P 型。
好玩的事情发生在交界处。把一块硅一半掺成 N 型、一半掺成 P 型，N 区电子浓度高，会往 P 区扩散；但电子一走，两边电荷失衡，又会拉出一个反方向的内电场，把电子往回拽。一边推一边拉，最后僵持成一个动态平衡。这片平衡区域，就叫 PN 结。
N 型的电子向 P 型扩散，流失又拉出反向内电场把电子拽回，一推一拉僵持成 PN 结的动态平衡。
PN 结天生就是单向导通的：外加电压方向对、而且劲儿够大——一般得超过 0.7 伏——才能把内电场抵消掉，让电流通过；方向反了，它反而把自己堵得更死。你发现没有，这就是二极管的行为吧？一块掺了杂质的硅，不烧任何灯丝，就把二极管的本事复刻出来了。顺带说一句，PN 结对光也敏感，拿光一照就出电流，太阳能板就是这么来的。
那电压加太猛会怎么样？飞驰的电子会把共价键里的电子也撞出来，被撞出来的又去撞别人，越滚越多——用 Redknot 的话说，活像原子弹里的链式反应。这个叫雪崩击穿，击穿本身不毁器件，但会爆发大量的热，热散不掉就把硅烧穿了。
给 PN 结装个开关，就成了今天的晶体管
二极管只能单向放行，还不够，还得给它装一个可控的开关。
取一块硅，掺出两块 N 型，一块当源极、一块当漏极，中间留一段 P 型。正常情况下，中间的 PN 结把两块 N 型隔开，是不导通的。现在在中间那段 P 型的上方，隔着一层绝缘膜架一个电极，也就是栅极。给栅极加正电压，底下会拉出一个向下的电场，把大量电子吸到 P 型的顶部，硬生生在那里挤出一条能导电的通道，叫「N 沟道」，两块 N 型瞬间打通。电压一撤，沟道散掉，又断开了。
给 MOSFET 栅极加正电压，会在中间挤出一条 N 沟道把源极和漏极接通，撤掉电压沟道消失——一个可控开关。
这个东西就是 MOSFET，金属—氧化物—半导体场效应晶体管。名字听着唬人，拆开看其实很老实：金属就是栅极那个电极，氧化物就是栅极底下那层绝缘膜（二氧化硅），半导体就是底下掺好的硅。广告里吹某某芯片「集成了几百亿个晶体管」，说的就是这块巴掌大的硅上挤了几百亿个这样的小开关。
跟电子管一比就明白了：不用把什么东西烧到红热，也就没有预热和氧化那些麻烦，连真空玻璃壳都省了，个头还能一路缩到纳米级。
但光有开关还不会算数啊。这些开关怎么搭出一个能记事、能运算的 CPU？这是下一篇要讲的事情。还有一个更离谱的问题：这些纳米级的小东西，到底是怎么被「画」到硅片上去的？那得看这个系列最后那篇讲光刻。
本文整理自 B 站 UP 主 Redknot-乔红 的硬件科普合集。他把这些原理讲得又细又好玩，原视频强烈建议去看，本系列只做了主题重编和文字转写。理解有偏差的地方，锅在我不在他。