邏輯電路是如何通過電子元件實現的？

01-07

如題。
或門，且門和非門是如何通過元件來實現的呢？
求答主講細一點，P型N型半導體的原理高中生表示完全不懂。。
O(∩_∩)O謝謝

嘛，先來扯PN結的事情。

不知道你們化學學沒學到高一下，要不然會很難理解。

好了開始扯淡，

我們生活中常見的導體，比如說：

大多數金屬以及BLABLABLA（原諒我偷懶）

生活中當然也有絕緣體

比如說，橡膠和惰性氣體。

從深層次角度來說，這些物質所表現出來的性質，恰恰反映了他們的原子結構。

金屬的最外層電子數較少，而絕緣體比如說惰性氣體，它的最外層電子是最穩定的八電子結構。

所以很容易用感官分析出來，金屬的電子相比於惰性氣體而言更容易發生逃逸。

更容易逃逸的意思翻譯過來就是更易於導電。

而半導體是個什麼鬼呢？？

從化學結構上來看，它的最外層電子數恰恰介於導體與絕緣體之間，也就是4個。

———————————————備用知識扯淡完成————————————————

我們管純凈的半導體的話叫本徵半導體（逼格有沒有，吼吼）。

如圖，就是這樣嘍。注意，共價鍵中的電子是不能導電的。

（如果不知道共價鍵的話。。。。建議翻一番高中課本）

然而當然我們淘氣的Si原子君肯定不會這麼老實的。

它肯定要吸收外界的能量。於是。。。。就變成了這樣。

電子掙脫了共價鍵的束縛，遊離出去就成為了自由電子。

於此同時。。。。。剩下的空穴也不是吃乾飯的，對！那玩意叫空穴。

我們很容易看到，周圍的空穴吸引了旁邊的電子跑了過去，周而復始，也就是說空穴在移動，對那玩意可以移動！！！

根據電中性守恆來看的話，我們可以認為空穴帶正電。（代表的是核的電性）

裝逼的來說，這種現象叫做本徵激發。

所以可以總結：在半導體中參與導電的是空穴和自由電子。我們統稱其為載流子！

然而這並沒有什麼卵用。

在室溫為27攝氏度下，載流子濃度與硅原子濃度比大概為 10^-12 幾乎連個鳥用都沒用，更別說導電了。

於是智慧的人類開始。。。。

本徵半導體————進化—————N/P型半導體。

N型半導體就這麼出來了。

它其實是往本徵半導體里加5價元素。人為的增大自由電子的數目。

那麼P型類似就是這樣的。往本徵半導體里加3價元素。人為的增大空穴的數目。

當然我們知道半導體中，自由電子與空穴的數目是處於動態平衡狀態的。那麼往本徵半導體里加了那麼多奇奇怪怪的東西勢必破壞了原有的平衡。有多出來的就有少的，而相比另一部分遠遠多出來的我們稱其為多子，少的我們叫少子。

也就是說對於N型，自由電子是多子，而空穴是少子。

P型的話，空穴是多子，自由電子是少子。

——————————————載流子運動原則——————————————————————

如果你覺得載流子一加電就會跑的話，只能說圖樣圖森破啦。

載流子在不加電的情況下其實也會跑——————只要有濃度差，載流子會從高濃度擴散到低濃度。

前者我們起個閨名叫漂移電流，後者我們取名為擴散電流。

而事實上，正是因為這種方式，才造就了PN結的單嚮導電特性！

————————————————PN結拉出來走兩步——————————————————

PN結登場。。。。

我們可以舉個例子，假如說P型是某師範大學，嗯你懂得，妹子是多子。

N型是某理工大學，漢子是多子。

我們以諸位性取向正常為前提進行推導。

假如說，把理工大學開到了師範大學的對門，或者把師範大學開到了理工大學的對門。

嗯，由於某種目的，嗯，在非正常學習時間，這兩個學校的多子都要幹什麼？？？？？

於是乎上圖很好的解釋了這種現象。串門唄！（其實是各自半導體的多子不同導致巨大的濃度差）

當然自由電子與空穴的匯合併不是一場愛情。感覺更像是，約。。。卧槽，邪惡了。

當然那個啥不得需要地方嘛，不是。

於是他們匯合了，手牽著手的，嗯，那個啥去了。。。。

我們可以發現，乾柴烈火的多子之間的碰撞導致了中間的部分，如圖。

平衡電荷的多子們都去合體而失去了電性，也自然沒辦法平衡這一部分的電中性。於是在這一區域出現了內建電場，其電勢關係如圖。

而這一電場恰恰是阻止兩邊的多子進行擴散。

此時半導體進入動態平衡狀態。

也就是我上面所說的雙重作用導致了單嚮導電。

（需要高二上的物理知識）

（當然其實是複雜的動態平衡問題，這塊簡化為只考慮多子）

將上述PN結封裝，P作為+級，N作為-級，就是一個二極體。

當給二極體正級加高電位，負極加低電位時，我們可以發現

當外加的電場足夠強大時，就可以摧毀PN結內部電場（簡單粗暴是這麼講），剛才被抑制的多子的擴散運動加強，形成了正向電流。

當加反向電壓時，電場區域增大（我們管該區域叫耗盡區），直觀的扯淡來說，就是抑制了多子的擴散作用，而加劇了少子的漂移作用。

只不過少子很少，可以近似為沒有電流。

————————————————最後水一發————————————————————

二極體原理是說完了。。。。。

本人純小渣，無工程實踐，無高端科研，講點入門的。。。希望後來的各位給予指正

這就是一個非常簡化的與門。

分析這個問題，需要把握一個原則。。。。就是壓差大的導通

先拿掉二極體分析

U0端處於高壓狀態。根據以上原則，就是兩個信號輸入端哪個為低電平，哪個導通，另外一個不導通。翻譯過來，兩個都是高電平，u0才會是高電平，否則期中一個導通就把電位拉成低電位了。

於是我們可以發現這其實是個與門。

先寫到這裡咯。好累。。。。。

題主的問題和我之前的困惑很相似。

我之前上【計算機組成原理】這門課的時做候，前半學期講數字邏輯電路，主要是與門非門之類的，後半學期講組成原理的內容，存儲系統、指令系統、匯流排這類的。我覺得這樣的安排存在兩個很大的跳躍：

邏輯電路是如何實現的？雖然單獨在邏輯電路的領域裡，看懂、設計簡單電路什麼的並不會有問題，所以作業和題都會做，但是畢竟我們學過物理的電學啊，我如何結合電學來理解，就很困惑【高電位通過非門就變成低電位】這類東西在實際電路上到底如何實現。
簡單的邏輯電路元件如何組成複雜的晶元。這個問題自己想想是能想通的，因為我們也做過通過與非門等元件設計2-4解碼器的問題，複雜晶元實質上也是這樣通過大量簡單元件的組合來實現。

但第1個問題其實很難自己想通，相信題主想問的也是一樣的問題。

上面有答主進行了很專業的回答，但我想如果不是電子相關專業、涉及具體的電路設計的話，大可以不需要理解的那麼詳細，我們只需要打通邏輯電路與實際電路之間到底是如何聯繫的即可。

所以這邊我大力推薦一本書——編碼 (豆瓣)，當時讀這本書，醍醐灌頂般地解決了我上面的困惑。

我在這邊把主要內容給題主分享一下：

首先，我們需要了解一個重要的電路元件——繼電器！

從圖上可以看出，輸入電路里連著一個線圈，輸出電路里連著一個開關，輸入電路開關閉合，線圈裡通電導致產生磁性，將輸出電路里的開關向下吸引，使得輸出電路被連通。這種可以通過弱電控制強電的功能使得繼電器在我們生活中經常被應用。

聰明的人應該立馬就反應出來這和邏輯電路的聯繫了。

非門！是的，如果輸出電路本來是連通的，而輸入電路中線圈的磁場會導致輸出電路斷開的話，就起到非門的作用了。

到這裡，對我們而言最困難的問題實際上已經解決了——我們已經用實際電路實現了邏輯電路！

我們至此可以總結出來：邏輯電路里省略了大量實際的電路，例如上圖中實際上非門並不是一根導線輸入、一根導線輸出的，實質上輸入和輸出的導線是在不同的閉合環路中。

至於什麼與門、或門、與非門等等，用的也是相似的原理。

不過為了大家理解更深刻，我把與門、或門、與非門用繼電器實現的電路圖也發出來，相信大家一看就明白：

與門：

或門：

與非門：

接下來用邏輯門組成加法器、解碼器、觸發器之類的複雜元件作為計組課程內教授的內容，大家應該都知道了。

不過還是會有困惑：用繼電器組成門電路我是明白了，但實際的計算機里難道是數以億記的繼電器？

目前的電腦當然不是，不過當時哈佛大學與IBM合作製作的Havard Mark I、Mark II計算機就是用繼電器實現的，其中Mark II用了13000個繼電器。

雖然理論上用繼電器就完全可以造出我們目前的計算機，但實際上不可行，因為繼電器存在很多問題：比如它是機械的，機械裝置的開關都耗費不短的時間，所以性能比較差，而且容易因為機械問題產生故障（還記得「Bug」這個詞的淵源嗎？就是一隻卡在Mark II的某個繼電器上的bug）。

所以後面出現了真空管，它最大的好處是可以在百萬分之一秒內發生轉變。從這時開始，計算機才可以叫做電子計算機（之前應該算是電動器械計算機）。我們熟知的ENIAC就是用18000個真空管完成的。

但真空管也有壞處，例如價格昂貴、耗電高、發熱大、壽命短。於是它被由其他答主答案里提到的PN半導體實現的晶體管替代。

當然後面技術也在不斷發展，集成電路的製造技術不斷飛躍，可以在越來越小的矽片里塞入更多的器件，但其本質還是基於晶體管來實現的。

關於真空管、晶體管乃至後面更複雜的實現技術的具體原理，我覺得如果不是很有興趣的話，其實沒必要去了解那麼詳細的，我們只需要知道它們其實都扮演著繼電器的角色就好啦，畢竟通過繼電器來理解邏輯電路，實在是太容易了：b。

最後，再次推薦一下編碼 (豆瓣)這本書，我覺得用它非常適合用來進行計算機組成原理的入門，比我們用的國內非常學院派的教材不知道高到哪裡去了。

占坑，等這幾天事情弄完了回來填。

——————————回來填坑ing————————

寫在前面：由於是根據本人記憶和理解給出的答案，或許存在疏漏、不足之處，如有知友不吝指出，不勝感激。

另，多圖慎入。

二極體樓上的答主 @喬一瞧已經解釋了，不再贅述。

談談邏輯控制。

與、或、非，是邏輯里最基本的三個。

而與門、或門、非門，作用如下（默認視為只有1，0兩種情況）：

與門：當且僅當輸入同為1時，輸出為1。

或門：當輸入存在1時，輸出為1。

非門：輸入為1時，輸出為0,；輸入為0時，輸出為1。

而在邏輯電路中，1由高電平代表，0由低電平代表。

也就是說，三門在邏輯電路中的表述應該如下：

與門：當且僅當輸入同為高電平時，輸出為高電平。

或門：當輸入存在低電平時，輸出為低電平。

非門：輸入為高電平時，輸出為低電平,；輸入為低電平時，輸出為高電平。

下面是圖片講解時間。

註：以下圖片都是自己繪製，所以若需要使用（說得有人會用這些破圖似的），請私信我或者在本答案下回復，謝謝合作。

如圖，在電阻R兩端引出兩個輸出埠。容易看出，輸出1的電平是電源電壓V，輸出2是接地，即為0。所以輸出1為高電平，對應邏輯中的1，輸入為低電平，對應邏輯中的0。

實際上所謂邏輯在電路中的使用，一般情況是：

信號為1，即為確認信號；信號為0，即為否認信號。所以只需要用電平來替代就好了。

那麼如何通過元件解決門電路的問題呢？

首先，有個元件，叫做開關。

這個開關，理想狀態下滿足兩個條件：導通壓降為零，關斷通流為零。

所以，就是這樣：

分析一下這個電路，可以知道：

輸出2始終為零值，也就是低電平輸出；

輸出1取決於開關的狀態。

其中，電阻R稱為上拉電阻（如果沒記錯的話）。

現在分析情況，本電路顯然只有兩種情況。

S1閉合：電路導通，因為S1兩端電壓為零，所以輸出1和輸出2相同，為低電平；

S2斷開：電路斷開，因為S1通過電流為零，所以輸出1等於電源電壓，為高電平。

現在問題來了，怎麼通過開關的組合來獲取邏輯三門呢？

思考一下：

由以上分析，

S閉合→低電平；

S斷開→高電平。

再回頭看看三門的條件和作用。為了簡單起見，我們假設輸入為二端（非門這貨就算了）

那麼有：

與門：當且僅當兩個開關都斷開時（兩個都為高電平），輸出高電平；

或門：當且僅當兩個開關都閉合時（兩個都為低電平），輸出低電平；

非門：開關閉合（為低電平）時，輸出高電平，反之，低電平。

與門相當於在說：只要有一個開關閉合，輸出就是低電平。那麼想到了什麼？結合第二張圖，想到了什麼？對了，並聯電路。兩個開關並聯，只要一個閉合，兩端電壓為零。

那麼很容易做出猜想，對於或門，兩個開關串聯。

至於非門……

Q：等等，開關為什麼會斷開和閉合？輸入又在哪裡？

A：……原來這個沒說嘛？好吧，這是可控開關。

Q：……

A：好的，那麼非門就容易解決了。

Q：……

對於可控開關，我們如此假設：

當輸入大於某個閾值ua時，開關導通。

A：很好，兩個問題都解決了。

我們改改第二張圖，變成這樣：

Q：可以再丑點嗎，老濕？

A：……

言歸正傳。我們發現，這個S1本身就是個天然的非門。當輸入為高電平（大於閾值）的時候，輸出為低電平，反之亦成立。

但是，因為本身非門的緣故，原先我們的所說的與門和或門的推斷都出了問題，需要在判斷之前加入判斷：

原與門：當且僅當兩個開關都斷開時（兩個為高電平），輸出高電平；

→當且僅當輸入都為低電平時，輸出高電平。

真值表：

0 0 1

1 0 0

0 1 0

1 1 0

這是什麼鬼- -

原或門：當且僅當兩個開關都閉合時（兩個都為低電平），輸出低電平；

→當且僅當輸入都為高電平時，輸出低電平。

真值表：

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

這又是什麼鬼- -

——————困了，未完待續——————

——————繼續——————

我們來看看與門和或門的真值表：

與：

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

或：

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

看出什麼了？

對了，或門和原與門真值相反，與門和原或門真值相反。

故而，原與門叫做或非門（NOR），原或門叫做與非門（NAND）

因此，只需要把這些門的輸出作為非門輸入，即可以解決問題。

所以，可以得到如下電路：

從串聯電路角度來說，當且僅當輸入全為高電平時，電路導通，input = 0，output為高電平。

即，當且僅當輸入全為1，輸出為1，與門。

從並聯電路的角度來看，當且僅當輸入全為低電平時，開關全斷開，input為高電平，S導通，output=0。

即當且僅當輸入全為0時，輸出為0，或門。

非門在之前講過，不再贅述。

————————

至於可控開關用什麼？一般採用場效應器件mosfet。

如果想了解mosfet，那還是好好看書吧。

建議課程：《電路電子學》

以上。

瀉藥。所以還是建議先學完半導體原理、模擬電子技術。再來了解這個數字電子技術。要詳細只能帖兩本《電路》、《電子技術》的課本上來，知乎的這個對話框又放不下那兩本書的字和圖片。

你這是加減都不明白，就問乘除什麼原理。

當年的基礎課，現在已經忘完了，唉

如圖是一個NMOS transistor。簡單來說，左右兩邊source input和drain output可以想像成電線，中間的gate input想像成開關。如果給gate input加上正電壓，那麼就彷彿開關閉合了一樣，左右兩邊的電路就連通了。如果中間的gate input沒有正電壓，那麼左右兩邊的電路就沒有連通。

類似於NMOS，還有一種PMOS，就是與NMOS正好相反，如果有正電壓的話反而斷路，沒有電壓反而接通。

為什麼要有兩種MOS呢？

因為NMOS不擅長傳輸高電壓，而PMOS不擅長傳輸低電壓，換句話說，這個開關質量不行，比方說NMOS開關如果開著並且接著一個5V的電源，那麼它的另一邊是不到5V的。所以要製作完美的開關的話，那麼就需要結合NMOS和PMOS，讓輸入是0（低電壓的時候）用NMOS，輸入是1（高電壓）的時候，用PMOS。這就是CMOS。用CMOS我們可以製造基礎的門（gate），用門與門的組合可以做出邏輯電路。如何用CMOS具體是怎麼做電路的呢？

如圖是一個非門（not gate）輸入一個a，輸出一個not a。這個最簡單的CMOS電路上面是一個PMOS，下面是一個NMOS。如果A是1的時候，PMOS關閉，NMOS開啟，輸出output=GND。如果A是0的時候，PMOS開啟，NMOS關閉，輸出=Vdd。

類似的，我們可以用CMOS做別的gates。比方說和門（AND gate）是用一個NAND和一個NOT gate（上面剛剛講的）拼起來的，具體就不細說了。

總之，像這樣通過NMOS和PMOS的結合，我們可以實現各種各樣的邏輯電路。

可以看《數字電子技術基礎》，綠色那本。裡面有說如何用MOS管或者三極體來搭建各種不同的門。

這不是個適合回答具體問題的地方，即使解釋了，相信也是一知半解，，，不如回去沉下心來翻翻教材

建議由淺入深，層層遞進，最好不要一上來就去看三級管，場效應管之類的，可以從繼電器如何構成邏輯門，邏輯門又是如何組成一個有功能的電路開始了解。當年我也是抱一本生澀模電書愣看，最後效果感人。

題主在這裡看一些本科生也好研究生也好碼的字，不如好好找本書從頭看。

推薦清華大學童詩白的《模擬電路基礎》。我當年學模電用自己學校老師寫的教材根本看不懂，後來買了康華光的，還是看不懂，還是童詩白的讓我明白了很多原理。至少先明白PN結。

然後數電依舊推薦清華大學的《數字電路基礎》。裡面對於基本的門電路也有挺清晰的講解。

最後要想真正理解數電的邏輯電路，我覺得還是需要通過實驗來深刻理解。

作為一個高中生，還是不要操之過急的好。

嘗試著用水箱、水管和閥門的故事來回答題主的問題。

假設：

a,有水源不斷地向水箱注水，直至水滿。

b,放水速度大於注水速度

c,水箱滿的狀態為1，水箱空為0，輸入為1時閥門打開放水，輸入為0時閥門關閉

。。。。。。。割。。。。。

非門:

底部帶有一個閥門的水箱。

當輸入為0時，閥門關閉，水箱是滿的，即輸出為1。

當輸入為1時，閥門打開，水箱的水流掉，輸出為0。

這就是非門，也就是反相器。

與非門:

底部帶有兩個串聯閥門的水箱。

只有當輸入同時為1，也就是兩個閥門同時打開，水箱才會被放空，也就是輸出為0，其他情況水箱都是滿的，輸出為1。

或非門:

底部並排兩個閥門的水箱

只要有一個閥門打開，水箱就會被放空。也就是說，只要有一個輸入是1，輸出就是0。

以上，希望能夠幫到題主。

我在想給你解釋這個問題的時候才突然發現以前學的基礎課有多麼重要，看看《電路》《模擬電子技術》《數字電子技術》《半導體物理》《微電子器件原理》《集成電路設計》等等一系列基礎教材，相信你肯定就能懂了！

二極體三極體搞懂了就明白了，加油加油加油，

模電書好好看看。