文組也好懂的半導體 - (2)半導體是在重要啥啦

要說半導體為什麼重要，以結論來說就是...手機裡面一堆重要的部分都是半導體做的阿，電腦也是半導體做的，還有一大堆~如果說鋼鐵是現代人做出任何東西骨架的材料，那半導體就是做出任何有智能的材料

好，不要這麼不負責任來細說，半導體可以很便宜的實現運算與記憶，或是說可以做電腦，人造的智能。所以說半導體做的電腦可以算數學、可以算畫面(電動)、可以記憶(存你的相片)，反正好像很萬能，那下面就來講一些半導體大概事怎麼做到這些神奇事情的

半導體做運算

前一篇說有天才找到操縱半導體導電性的方法，讓半導體可以自由被控制變成可以導電跟不導電的狀態，這代表半導體可以做開關，對，就是可以決定電要過或是不過的開關。只要變成不導電的狀態就是關，變成導電就等於開，這很簡單對吧

不過可不要小看這個開關，因為開關可以算數學。

CMOS結構

在說怎麼算之前來介紹一下現代用的設計結構，這就跟古代人蓋房子有半穴居、有高腳屋、有搭帳篷，不過現代人基本上住的大樓都長的一樣，這就是因為現代人認為這種房子最有效率，也就是CP值最高啦~而現代電腦中用的設計結構基本上就都是CMOS結構。這個C代表Complementary，就是互補的意思，而MOS就是將半導體做成開關的一種方式(結構)，MOS的細節之後再說。

所以我們簡單把CMOS翻譯成互補式開關設計，我們會用兩種相反的開關同時拿來設計，這就叫互補的原因啦。而這兩種是P的MOS，就是positive的MOS(開關)與N的MOS，也就是negative的MOS(開關)

https://vlab.amrita.edu/index.php?sub=59&brch=165&sim=270&cnt=1

這上面兩個開關，也就是P的MOS寫成PMOS與NMOS都各有三個端點，分別標記為S(Source源極)、D(Drain汲極)、G(Gate閘極)

可以這樣想，把這個MOS當作一個水閘的閘門，如果Gate就是控制水閘的開關，而如果水閘打開，水流(電流)就會從源頭(Source)流向尾端取水口(Drain)

而這水閘有兩種，PMOS是當你給他一個低電壓，例如接地他就會打開，而NMOS則是給高電壓，例如接上電源才會打開，這兩種開關一起給電壓時，一定會是一個開一個關，只要我們從電源(英文稱為Vdd)到電路的本身的地(英文稱為Vss，或是就叫地ground, GND)一定接上同時兩種開關，這個電路就不會有接把電源接到地的漏電可能，也代表不會有電被浪費掉啦，這也是CMOS設計一統天下的原因

https://electrotopic.com/difference-between-nmos-pmos-and-cmos-transistors/

怎麼用開關算數學

剛剛上面如果沒看懂建議再看一次，因為下面會用到。

要知道電腦是用二進制來運算，就是電腦中不像我們十進制有從0~9共十個數字，超過才會進位，例如1+9=10，這就從一個位數變成兩個(進位了)。而電腦是1+1=10，這就是進位，畢竟二進制中沒有2，所以二進制中的10換成十進制就是2。

好了扯遠了，二進制是啥米其實不知道也不會怎樣，但有件事很重要的就是，有數學家證明，可以做加跟乘就能做減跟除，就是在數學上我們證明了，你可以做某些運算，就能拚成其他種類的運算

現在就拿開關做一個基本的Not運算給大家看，Not就是0變成1，1變成0這樣

我們可以來推一下這個電路，如左圖，如果你輸入端(Vin)給Vdd(電源)，那上面的PMOS就會關閉，下方的NMOS就會打開，也就是輸出端(Vout)等效接Gnd，就是輸出Gnd

反之如右圖，輸入端(Vin)給Gnd，那上面的PMOS就會打開，下方的NMOS就關閉，也就是輸出端(Vout)等效接Vdd，就是輸出Vdd

就是這樣一個Not運算就完成了~同樣的加跟乘也可以用類似概念做出來，由於這是入門，就不講這麼細節的事了，總之你要相信，開關就可以做運算，而且這些MOS開關的速度超極快，不用一個奈秒就可以開關完成了，也就是我們每秒鐘可以進行上億次的運算，這開關還不會磨損之類的壞掉，真的是超級強大對吧

這也是半導體之所以了不起的最大原因，半導體可以算數學