人类是怎么管住电子的
这事得从 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。蒸发出来的碳糊在玻璃壳里面，把灯泡熏黑了。他就在碳丝旁边塞了一块金属片，想着兴许能把这些碳接住。灯泡照样发黑，他却撞见了一件很怪的事。灯一亮，那块压根没碰到碳丝的金属片上，居然测出了微弱的电流。
这个电流是哪来的啊？金属片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，他就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，其实大概就是电子烫得受不了，自己跳出去了。蹦出来的电子有一部分正好落在旁边的金属片上，就成了爱迪生看到的那股微弱电流。
接下来就好办了，给这块金属片接上电压，把它当成电极。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。那反过来加负电呢？蹦出来的电子直接掉头就跑，电路就等于断了。
所以这个管子里，一边加热、负责发射电子，叫阴极，另一边负责接收电子，叫阳极。电流只能朝一个方向走，反过来就走不通。这种只认一个方向的东西，就是二极管。
二极管最拿手的活儿是把交流电变成直流电。电流顺着来就放行，反着来就堵死，拿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。你家充电器干的其实就是这个事。
加一张金属网，弱电流就能指挥强电流
再往阴极和阳极中间塞一张金属网，给网也通上电，让它带一个电场。这下电子从阴极飞向阳极，中间得先过这张网这一关。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。它妙就妙在，网上的电压只要动一点点，穿过去的电子数量就跟着大变。这就等于你拿一个很弱的信号，控制住了一股很强的电流，弱信号就这么被放大成了强信号。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。开机还得先等三到十秒预热。灯丝在空气里会氧化，所以整个管子还得用玻璃壳包起来抽成真空。这么一套下来，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
这回主角换成硅。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，得往里掺点别的东西，这一步叫掺杂。比如掺一点磷，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。这样的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，还缺一个，缺的那个位置就留下一个「空穴」。这样的硅靠带正电的空穴导电，叫 P 型。
好玩的在两种硅交界的地方。把一块硅一半掺成 N 型，一半掺成 P 型，N 区电子多，就会往 P 区扩散。但电子一走，两边电荷就不平衡了，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，最后僵在一个动态平衡上。平衡下来的这片区域，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 结天生就只能单向导通。外加电压得方向对，劲儿还得够大，一般要超过 0.7 伏，才能把内电场抵消掉，让电流过去。方向要是反了，它反而把自己堵得更死。你发现没有，这干的不就是二极管的活吗？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的，越滚越多。用 Redknot 的话说，这活像原子弹里的链式反应。这个叫雪崩击穿。击穿本身不会毁掉器件，但会爆出大量的热，热要是散不掉，硅就被烧穿了。
给 PN 结装个开关，就成了今天的晶体管
光能单向放行还不够，还得给它装一个能控制的开关。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。平时中间的 PN 结把两块 N 型隔开，是不导通的。现在在中间那段 P 型上面，隔一层绝缘膜架一个电极，这就是栅极。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 型的顶上，硬生生在那挤出一条能导电的通道，叫「N 沟道」，两块 N 型一下就通了。电压一撤，沟道就散了，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」，说的就是这么一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它好在哪了。它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。还有个更离谱的问题，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。