电子学和半导体

一些非同寻常的发电方法包括真空管和固体（不是金属）中电子的流动。电子装置可以被用来作为开关和控制携带信息如放大器中的声音信号或者计算机的数字数据信号的电流。

最初的电子装置是真空管，在真空管中，电子流从一个被加热的阴极流向阳极，这个特性被用在二极管中，以将交流电转化为直流电。二极管增加第三个电极（或电栅）之后即形成了三极管，可以被用来控制和放大电流。加热的阴极仍然被用在电视、雷达和计算机显示器的阴极射线管中。

但是真空管体积巨大并且其加热器还需要消耗能量。在第二次世界大战之后，随着需要更复杂电路的计算机的发展，对更小的电子设备的需求也与日俱增。在这一时期，美国科学家发明了晶体管，晶体管是一种相当于三极管的固态装置。固态意味着电子只能在固体物质而不能在气体或真空中传输。晶体管不消耗能量并且体积可以极小。

二极管和晶体管

半导体是电阻小于绝缘体但是大于导体的物质。金属在其结构中有许多自由电子，可以从一个原子移动到另一个原子以传导电流；而绝缘体则几乎没有任何自由电子。半导体，例如锗和硅元素，有一些自由电子，这些自由电子可以成为电流载体。上述两种元素的原子中都有4个外部电子。向这些元素中添加极少量具有5个外部电子的元素（如磷）的过程被称为掺杂——可以提供额外的导流电子，创造出一种n-型半导体。添加具有3个外部电子的元素（如硼）可以使一些原子缺乏电子（称为“空穴”），从而自由电子可以流动，由此得到的材料被称为p-型半导体。将一片n-型半导体和p-型电导体连接起来就形成了一个二极管，在二极管中电流只能朝一个方向流动，来自n-型半导体的自由电子通过两者的接合处，以占据p-型半导体中的空穴，但是自由电子不能从p-型半导体流向n-型半导体。

两个二极管背对（形成n-p-n或p-n-p式排列）接合形成了一个晶体管。进入中间片（基）的小电流控制外部片（发射器和收集器）之间的大电流。这正如一个三极管，并且可以被使用在扩音器和其他电路中。在一个场效应晶体管中，一种类型的半导体（栅极）被散布进入其他类型的半导体棒的侧面。在半导体棒的两端（其源极和漏极）存在一个主要电流。一个更小的变化的电流供应给栅极，以控制主要电流——正如在一个结面晶体管中用基电流来控制发射器电。