昨天介紹了半導體的功用與實際上的運作原理（簡易版），並在最後貼上了這張圖片：

這個電晶體叫做雙極性電晶體，很常用 BJT 來稱呼它。不過在實際應用上，有另外一種電晶體較為常用，叫做場效電晶體，英文簡寫叫做 MOSFET。

場效電晶體（MOSFET）

場效電晶體跟雙極性電晶體一樣有三個極，分別是閘極（gate）、汲極（drain）與源極（source）還有一個基板 body。

在閘極施加電壓時，能夠源極與閘極之間產生電子通道，近而導通電路。由於我們可以靠施加電壓來決定是否導通電路，因此能夠達到開關的效果。

MOSFET 比 BJT 電晶體更常使用的原因有幾點：

• 在閘極跟 P 型基板間有個 Si 氧化膜，因此就算施加電壓也不會產生電流（高阻抗）。因此功耗消耗相對比 BJT 小
• MOSFET 的切換開關速度（頻率）比 BJT 高許多
• 由於結構的關係，MOSFET 通常比 BJT 小

由於以上的優點，在半導體製程中，我們通常都是使用 MOSFET。

製作方式

對 CPU 或其他電路來說，最基礎的元件就是電晶體，然而電晶體的位置與連接方式是重點。要完成這件事，並且又要讓體積足夠小，目前最關鍵的工法叫做光蝕刻法。主要的原理是將電路做成光罩，將電路圖曝光到晶圓上。

由於半導體製程已經進步到數 nm 的地步，因此需要相當精密的操作。最近很常聽到的 EUV 光波長更短，曝光機可以說是製造半導體的關鍵。光是一台曝光機就要數十億台幣。

封裝

刻蝕好的電路在晶圓上需要經過封裝才能真正給其他人使用，因為裡頭的電路相對脆弱，需要一層外皮保護起來；另外這些晶圓上的電路的接點太小了，需要進一步給封裝廠連接接點才有辦法使用。同樣的晶片可能有不同的封裝方式，例如 DIP、PGA、SMD 等等。

撰寫方式

一個 CPU 動輒數十億個電晶體，這個規模不是幾個人手工拉線畫圖就可以完成的，通常需要電腦輔助。現在主要都是以 RTL（Register Transfer Level）來設計邏輯電路，比較有名的像是 verilog。

module half_adder(A, B, sum, c);
  input A, B;
  output sum, c;
  xor (sum, A, B);
  and (c, A, B);
endmodule

看起來很像我們一般在寫的程式碼，不過由於背後的運作是直接轉換成實體電路，因此跟一般程式不太一樣。在實體電路中，他們會是同時執行的。也就是說這邊的半加器不是先求 sum 再求 carry，而是會在一個週期同時完成。邏輯電路撰寫好之後會先模擬並且測試，確定和期待相符之後才會開始佈線。

各種應用

電晶體的應用非常多，沒辦法一一列舉，在這邊分享兩個常見的應用。

CPU / MCU

CPU 或者 MCU 都是由無數個電晶體組成。但是為什麼一堆電晶體就可以組合出 CPU / MCU 呢？

CPU 裡頭的電路非常簡化過後可以大致分為幾種：控制單元、計算單元、儲存單元。控制單元可以根據指令來判斷要執行哪個分支、計算單元負責計算資料、儲存單元則可以儲存資料。

有關於每個單元實際上要怎麼以電路模擬的部分，可以參考 [Day8] 與程式有關的遊戲三選 (2) – TIS-100 與 Turing Complete，基本上所有的功能都可以用邏輯閘做出來，而邏輯閘又可以用電晶體來表示。

**可是電腦明明就不是只有 0 和 1 啊？**像是螢幕為什麼可以多彩繽紛，那麼多顏色。的確，這些技術牽涉到的東西不只有電器信號而已，然而像是螢幕，如果我們將它想像成非常多個微小的 LED 的話，並且可以根據電壓大小組合出不同亮度與顏色。那麼螢幕的顯示就可以抽象化成「計算此顏色所需要的電壓與要在哪裡顯示」。

螢幕背後也有晶片在控制，只要改變螢幕的記憶體位址的值，他就能幫我們改變顏色。因此整個過程又可以再簡化成「計算要改變哪個記憶體位址的值」。我們可以發現，有很多問題簡化到最後都會變成可以計算的問題，只要可以計算就可以利用 CPU。

升壓轉換器

假設今天有一個 IC 需要 5V 或 12V 的電源，但是一顆乾電池只有 1.5V，兩顆的話只有 3V，我們該怎麼辦呢？前面有提到，電晶體有一個功能是「開關」。升壓轉換器的原理是透過電感（線圈）達成，電感有個很神奇的特性，當電流產生變化時，電感會產生電動勢來抵銷這種變化。

如果我們不斷地開關，讓電感不斷地累積能量並釋放給電容充電，就可以得到比輸入電壓還高的電壓。藉此達到升壓的效果。我第一次知道這個電路時覺得很神奇，原來升壓就是不斷開開關關！

當然這並不是神奇的魔法，雖然理論上可以升壓到無限大，但這樣一來 MOSFET 跟電感要承受的功率非常大，幾乎跟直接短路一樣。就算可以，兩顆 1.5V 的乾電池能量也有限，要是升壓太多一下子就用完了。