# MOSFET
想要了解CPU是怎麼工作的，我們要先從CPU最基本的工作單元，金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)開始說起，物體會導電是因為物體上的原子的電子因為某些原因傾向於飛出去成為自由電子，以銅來說，它的電子雲最外層有一個單獨的電子，在沒有外力作用下，它的運動是隨機的，如果這時候將銅接上一個電路，其上有電池對迴路施加電場，此時電池的電壓會驅使電子產生定向移動，這就是電流。

# 半導體
接下來要介紹的是半導體，半導體界於導體和絕緣體之間，在外界條件變化時，半導體可以在導通和不導通之間進行轉換。
而矽(Si)就是一種半導體，矽的最外層有四個電子，但它其實最多可以容納八個電子，而矽原子和矽原子之間可以透過共價鍵形成矽晶體，這時候就相當於每個矽的外層都有八個電子，共價鍵對於電子的束縛很強，結構非常穩定，不容易得到電子也不容易失去電子，整體的導電性非常弱。
矽原子:

共價結構:

# N型參雜
這時候如果我們把磷原子放到這個結構之中，磷原子的周圍有五個價電子，其中四個依樣會和矽形成共價鍵，這時候還會多出一個電子，而這個電子受到的束縛比較弱容易四處移動，此時的矽晶體的導電性就會上升，這種增加電子的結構稱為 **N型參雜**。
下圖中紅色的就是自由電子
# P型參雜
接下來我們往矽晶體中加入少量的硼原子(B)，B的周圍有三個價電子，因此他只能形成三個共價鍵，而缺少的那個電子稱作**空穴**，其它的電子移動到空穴上，而這就代表空穴移動到了別的地方(因為永遠會缺少一個電子，也就是空穴永遠存在)，此時這種狀況下的矽晶體導電性也會上升，而這種結構稱為 **P型參雜**。

虛線圓圈代表空穴:

# PN結
在一塊矽晶體相鄰的兩邊中，分別進行 N 型和 P 型參雜，這個結構就稱為PN結。

N 型參雜的區域電子比較多，P 型參雜的區域空穴比較多，由於**擴散作用**，N 區的電子會擴散至 P 區和空穴結合，這時候 N 區由於電子的散失會呈正電性，P 區由於得到電子則呈負電性，此時就會產生由N區指向P區的電場，而電場又會驅使電子移動，在電場力和擴散作用達成平衡時，N 區電子就無法持續向 P 區擴散，此時 N 和 P 區中間會出現一個缺乏載流子、存在內電場的區域就被稱為耗盡層。


此時我們將 NP 結接上電源，假設正極接 P，負極接 N，此時電源造成的電場會和內電場相反，如果電源的電場足以抵銷 N 向 P 的內電場時，電子可以流通，電路就能導通了。
正極接 P，負極接 N:

如果把正負極反過來，電場方向和內電場一致，電子會往 N 區方向靠近，空穴則會往 P 區方向靠近，而耗盡層會被拉得更大，此時電子無法流通，電路無法導通。
正極接 Ｎ，負極接 Ｐ:

這個就是二極管，電流可以從Ｐ流向Ｎ但不能從Ｎ流向Ｐ（電流和電子流相反，上述都是電子流動，所以這邊是相反的）
# 溝道結構
在一個矽晶體之中創建出下圖的結構，不管電源正接或反接都會使耗盡層加寬而無法導通電路。若要將電路導通需要再額外施加一個電場。


此時將下圖的結構加入到上圖結構中，並把下層金屬板直接用 P 型參雜取代。

在上圖的電路通電之後，電子會被吸引到兩個 N 區的溝槽之間，此時這個溝槽就相當於N型參雜，就等於兩個 N 型參雜被連通在一起，這個區域就稱為 N 溝道。而此時電路就可以導通了。
當中間的電路電壓高於閾值電壓時，MOSFET 可以導通，若低於閾值電壓則 MOSFET 不導通，而這就是MOSFET最基本的工作原理。


電極的名稱:

### NMOS PMOS
上述的高於閾值電壓**導通**，低於閾值電壓**不導通**的 MOSFET 稱為 NMOS。如果在參雜時將N和P調換，並將中間的電極也調換的話，則變為高於閾值電壓**不導通**，低於閾值電壓**導通**的 PMOS ，PMOS 和 NMOS 的性質剛好相反。
NMOS、PMOS:

電路符號:

# CMOS
把NMOS和PMOS的漏極連接起來就得到了一個CMOS，再把G極連起來作為輸入端A，D極的連結處拉一根線作為輸出端B，PMOS的S極接入供電電壓，NMOS的S及接入接地電壓，這樣我們就得到了一個非門結構。

非門:

當A輸入高壓時，NMOS導通，PMOS不導通，相當於輸出端B直接接上接地電壓，因此輸出的就是低壓。

當A輸入低壓時，NMOS不導通，PMOS導通，相當於輸出端B直接接上供電電壓，因此輸出的就是高壓。

這時候如果規定高壓是1低壓是0，這個電路就能對輸入電壓取反，給A輸入1，B會輸出0；給A輸入0，B會輸出1，這就是非門的原理。

| A | B |
| - | - |
| 1 | 0 |
| 0 | 1 |

MOSFET是構成邏輯門電路最基本的單元，把各種邏輯門組合在一起就可以形成運算單元，這就是CPU的雛型。
這篇文章大部分內容都是來自於B站的up主-**硬件茶談**。

# Reference
> [硬件茶談 带你认识CPU](https://www.bilibili.com/video/BV1nL411x7jH/?spm_id_from=333.788&vd_source=ea16488caed6a437e6836179091414d8)
> [電池簡易原理](https://www.hkedcity.net/funpost/science_ahead/page_58329cb8903443121b000000)