電晶體是什麼？手機裡超過100億個的小開關
電晶體是用另一個電訊號，讓電流導通或切斷的小開關。高效能手機的晶片裡，裝了超過100億個電晶體。晶片把開啟和關閉當作「1」和「0」，靠它們的組合來計算。
這篇文章可以了解
- 電晶體的2個功能（開關與放大）
- 晶片中的電晶體（MOSFET）如何用閘極的電壓，做出電子的通路
- nMOS和pMOS組合而成的CMOS，為什麼能省電
- 開關如何連結到0和1的計算，以及電晶體的歷史
前提知識：不需要。先讀「半導體是什麼？」這篇文章，會更容易理解n型、p型的內容。
生活中的例子：手機晶片裡有190億個
手機的中心，有一顆統一負責計算和影像處理的晶片。例如Apple在2023年發表、用於iPhone 15 Pro的晶片「A17 Pro」。Apple在發表會上說明，裡面有約190億個電晶體。這是2023年全球人口（約80億人）的2倍以上。
像這顆晶片一樣，把許多零件集中在一小片板子上的電子電路，稱為積體電路（IC）。不只手機和電腦，電視、汽車和電子鍋裡也有。在負責計算的積體電路中，大部分運作的零件都是電晶體。
那麼，電晶體是做什麼的零件呢？簡單說，就是「用電來操作的開關」。
電晶體是「用電切換的開關」
房間的電燈開關，是用手指按壓，讓電流導通或切斷。電晶體也讓電流導通或切斷，但不是用手指，而是用另一個電訊號來切換。因為沒有會動的零件，所以能做得非常小，切換速度也快到人手完全跟不上。
電晶體還有另一個功能：配合輸入的微小訊號變化，讓大電流變強或變弱。這稱為放大。收音機、音響，以及把麥克風的微弱訊號變大，都會用到這個功能。
像手機晶片這種用0和1計算的電路，主要使用的是開關的功能。本文接下來也以開關的作用為中心來說明。
晶片中的電晶體：MOSFET
電晶體有好幾個種類。現在晶片中的電晶體，幾乎都是MOSFET這一種。名稱的意思，等看完原理後再說明。
MOSFET有3個重要的部位。名稱都來自英文，知道意思就能了解它們的角色。
- 源極（source＝源頭）：流動的電子出來的一側
- 汲極（drain＝排水口）：電子出去的一側
- 閘極（gate＝閘門）：位於源極和汲極之間的上方，用施加的電壓決定開啟或關閉
這張圖把MOSFET縱向切開的剖面，畫得非常簡單。源極和汲極之間隔著一小段距離。閘極位於兩者之間的上方，中間夾著一層非常薄的絕緣膜（不導電的膜）。也就是說，閘極並沒有直接碰到下方的半導體。
閘極的電壓做出「電子的通路」
這裡請稍微回想前一篇文章「半導體是什麼？」的內容。半導體依混入的物質，可以做成2種類型。一種是能自由移動的電子很多的n型，另一種是電子離開後的空位（電洞）很多的p型。電洞的行為就像帶＋電的粒子。
圖中的MOSFET，源極和汲極是n型，兩者之間和下方的基底是p型。閘極沒有電壓時，p型的部分就成了「牆」，源極的電子無法通到汲極。因此，電流不會流動。這就是關閉的狀態。
形成牆的真正原理，在於n型和p型的交界。從源極到汲極，依序是n型、p型、n型。這裡只要想成「有2個交界，所以不論哪個方向，電流都不容易流動」就好。
接著，在閘極加上＋電壓。電子會被＋吸引，聚集在絕緣膜的正下方。相反地，具有＋性質的電洞會被推開。電壓逐漸升高後，聚集的電子就形成一層連接源極和汲極的薄層。
這層電子就是電流的通路，稱為通道（英文 channel，意思是「水道」）。形成通道後，電子就從源極流向汲極，開關變成開啟。降低閘極的電壓，通道就會消失，回到關閉。
開啟與關閉分界處的閘極電壓，稱為臨界電壓。閘極被絕緣膜隔開，所以幾乎沒有電流流進閘極。只要施加電壓，就能在下方做出或消除電子的通路。這是MOSFET的一大特點。
MOSFET這個名稱也來自這個結構。閘極是金屬（Metal），絕緣膜是氧化物（Oxide），基底是半導體（Semiconductor）。這三層疊在一起的形狀，就是MOS。現在閘極和絕緣膜的材料已經改變，但名稱仍然沿用。FET是「場效電晶體」的縮寫，表示用電壓產生的電力（電場）來控制電流。
以上的說明為了容易理解，做了相當大的簡化。例如，電子要真正流動，源極和汲極之間也需要電壓。此外，按照慣例，電流的方向是和電子移動的方向相反來計算的。
nMOS與pMOS：性質相反的2種
到目前為止說明的，是源極和汲極為n型、由電子形成通路的MOSFET。這稱為nMOS（n通道MOSFET）。nMOS在閘極電壓高時開啟，低時關閉。
也有把n型和p型對調的MOSFET，稱為pMOS。pMOS由電洞形成通路來搬運電流。動作也正好相反，在一般的用法中，閘極電壓低時開啟，高時關閉。兩者的差異，可以在比較頁面「nMOS與pMOS的差異」的表格中確認。
組合2種就能省電：CMOS
把nMOS和pMOS各用1個組合起來，最簡單的電路就是下圖。上方的pMOS接在電源的＋側，下方的nMOS接在0 V那一側。2個閘極輸入相同的訊號。
輸入的電壓高時，下方的nMOS開啟，上方的pMOS關閉。輸出經由nMOS接到0 V那一側，變成低電壓。輸入低時則相反，輸出接到電源的＋側，變成高電壓。
像這樣，由nMOS和pMOS互補運作的電路方式，稱為CMOS。開頭的C是英文 Complementary（互補式），也就是「彼此互補」的意思。
CMOS的優點是，不論哪種狀態，一定有一個電晶體是關閉的。從電源的＋側到0 V那一側，不會形成讓電流直接穿過的路徑。因此，在保持輸出的期間，幾乎不耗電。耗電主要發生在開啟和關閉切換的時候。
CMOS在1963年發表，現在幾乎所有晶片都採用這種方式。數十億個電晶體能用電池驅動，這個設計是重要的原因之一。電力的使用方式，可以在比較頁面「靜態功耗與動態功耗的差異」中詳細閱讀。
從開關到0和1，再到計算
電腦把電壓的高、低對應到「1」和「0」，用來表示資訊。我們用0和1重新看看剛才的CMOS電路。輸入是1，輸出就是0；輸入是0，輸出就是1。
也就是說，這個電路的作用是把0和1反過來。在處理0和1的電路（邏輯電路）中，這稱為NOT閘（反相器）。這裡的「閘」是指處理0和1的電路的一個單位，和MOSFET的閘極意思不同。把輸入和輸出的對應列成的表，稱為真值表。
| 輸入 | 輸出 |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
改變電晶體的數量和連接方式，也能做出其他的閘，例如「輸入都是1時，輸出才是1」的AND閘。把閘組合起來就能做加法，再進一步組合，就能做複雜的計算。晶片中負責計算的CPU，就是用數量龐大的電晶體組成這類電路。CPU在做什麼，在「CPU是什麼？」中說明。
想自己試試看的人，可以使用邏輯電路模擬器。排好NOT或AND閘，再切換輸入的開關，就能當場確認輸出如何變化。
電晶體的歷史：從1947年的發明開始
第一個電晶體，在1947年12月誕生於美國的貝爾實驗室。做出它的是約翰·巴丁（John Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）。他們在一種叫作鍺的半導體晶體上，把2個金的接點靠得很近抵上去。他們用這個裝置，成功把訊號放大。因為它的形狀，這個裝置稱為點接觸型電晶體。
帶領這2人所屬研究團隊的，是威廉·蕭克利（William Shockley）。點接觸型有不容易製造的弱點，他為了解決這個問題，在隔年1948年構想出接面型電晶體。3人在1956年獲得諾貝爾物理學獎。延續這個流派的種類，稱為雙載子電晶體。現在仍用在處理聲音這類連續訊號，或處理大電力的電路等地方。
| 年 | 事件 |
|---|---|
| 1947年 | 貝爾實驗室的巴丁與布拉頓，用點接觸型電晶體成功放大訊號 |
| 1958年 | 德州儀器的傑克·基爾比（Jack Kilby），在1塊半導體上做出零件，再用細金線連接，讓第一個積體電路運作 |
| 1959年 | 快捷半導體（Fairchild）的羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce），構想出在平坦的矽表面上連配線都一起做出的積體電路，並申請專利。這成為能大量生產的形式的基礎 |
| 1959～60年 | 貝爾實驗室的穆罕默德·阿塔拉（Mohamed Atalla）與姜大元（Dawon Kahng），實現了MOSFET |
| 1963年 | 快捷半導體的法蘭克·萬拉斯（Frank Wanlass）與薩支唐（C. T. Sah），發表CMOS |
| 1971年 | Intel把計算的核心部分集中在1顆晶片上，發表第一個市售的微處理器「4004」（電晶體約2,300個） |
積體電路誕生後，就不必再一個一個製造電晶體、再用線連接。大量的電晶體可以一次一起製造。基爾比因為對發明積體電路的貢獻，在2000年獲得諾貝爾物理學獎。
變小、變多：摩爾定律
1965年，後來共同創辦Intel的高登·摩爾（Gordon Moore）指出，晶片上的零件數量幾乎每年增加為2倍。1975年，他把這個速度修正為「約每2年增加為2倍」。這個預測後來被稱為摩爾定律。
雖然叫作「定律」，但它並不是大自然的規則。它是解讀過去趨勢的觀察，以及由此做出的預測。半導體業界以這個速度為目標開發設備和材料，也是它長期應驗的原因之一。
把電晶體做小，相同面積的晶片就能放更多個。而且長期以來，越小切換越快，每次切換所用的電力也越少。數量增加、速度變快、更省電，這是電腦變得便宜又高效能的一大原因。
不過，大約從2000年代中期開始，光靠縮小已經很難降低電力，製造成本也大幅增加。現在是組合多種方法來提升效能，例如把電晶體做成立體的形狀、把晶片疊起來。這些方法整理在「微縮之後」中。
常見的誤解
誤解：「3 nm的晶片」，電晶體的大小是3 nm
實際上，這是用來區分世代的名稱。過去數字和閘極長度等尺寸大致一致，因此產生了這個誤解。根據電機電子學會IEEE的雜誌（2020年），這種落差大約從20年前就開始了。即使是「7 nm」世代，主要部分的尺寸也比7 nm大得多。
誤解：摩爾定律是物理定律，一定每2年增加為2倍
實際上，這是摩爾根據過去的趨勢提出的觀察與預測。速度也由摩爾本人，從1965年的「每年2倍」修正為1975年的「約2年2倍」。常聽到的「18個月2倍」，並不是摩爾本人提出的數字（根據電腦歷史博物館的說明）。
誤解：CMOS完全不耗電
實際上，每次在開啟和關閉之間切換都會耗電。此外，關閉的電晶體也會漏出微小的電流。電晶體越小，這種漏電越容易增加，現在的晶片必須採取對策。記成「CMOS在沒有動作時，耗電非常小」才正確。
從數字來看
- 約800萬倍：1971年的Intel 4004，電晶體約2,300個。2023年的A17 Pro約190億個。約50年間，增加了大約800萬倍。換算成每增加2倍所需的時間，約為2年3個月，接近摩爾在1975年提出的「約2年」（本站的計算）。
- 約690億個：手機的工作用記憶體（DRAM），用1個電晶體和1個儲存電的零件，記住1位元（0或1的1個份量）。8 GB約為690億位元。光是記憶的部分，就有約690億個電晶體（本站的粗略計算，不含周邊電路）。
- 約1.3×1022個：從1947年到2018年左右，製造出來的電晶體數量估計。這是業界分析師吉姆·漢迪（Jim Handy）的估計，由電腦歷史博物館在2018年介紹。相當於1兆個的130億倍，被認為是人類製造過最多的東西。
進一步學習
- 用圖來看：CMOS的電路也可以在圖解「CMOS反相器」中看到。另外還有用稍微專業的方式表現通道的圖解「nMOS的通道」。通道是電子聚集在p型區域形成的層，所以專業上稱為反轉層。
- 另一種電晶體：雙載子電晶體延續了1947年發明的流派，它和MOSFET的差異，可以在「BJT與MOSFET的差異」中比較。
- 立體的電晶體：在「平面式MOSFET與FinFET的差異」中，可以讀到從平面變成立體的原因。
- 想進入中級的人：用MOSFET特性曲線工具，可以用數字試試閘極的電壓和流過的電流之間的關係。