半導(dǎo)體

 

半導(dǎo)體( semiconductor)，指常溫下導(dǎo)電性能介于絕緣體(insulator)與導(dǎo)體(conductor)之間的材料。人們通常把導(dǎo)電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導(dǎo)電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體。

 

與導(dǎo)體和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體才得到工業(yè)界的重視。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅則是各種半導(dǎo)體材料中，在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。

 

芯片

 

芯片(chip)，又稱微芯片(microchip)、集成電路(integrated circuit， IC)。是指內(nèi)含集成電路的硅片，體積很小。一般而言，芯片(IC)泛指所有的半導(dǎo)體元器件，是在硅板上集合多種電子元器件實(shí)現(xiàn)某種特定功能的電路模塊。它是電子設(shè)備中最重要的部分，承擔(dān)著運(yùn)算和存儲(chǔ)的功能。廣泛應(yīng)用于軍工、民用等幾乎所有的電子設(shè)備。

 

講到這里你大概對(duì)于半導(dǎo)體和芯片有個(gè)簡單了解了，接下來我們來聊聊半導(dǎo)體芯片。

 

半導(dǎo)體芯片是什么？

 

一般情況下，半導(dǎo)體、集成電路、芯片這三個(gè)東東是可以劃等號(hào)的，因?yàn)橹v的其實(shí)是同一個(gè)事情。

 

 

半導(dǎo)體是一種材料，分為表格中四類，由于集成電路的占比非常高，超過80%，行業(yè)習(xí)慣把半導(dǎo)體行業(yè)稱為集成電路行業(yè)。而芯片就是集成電路的載體，廣義上我們就將芯片等同于了集成電路。

 

所以對(duì)于小白來說，只需要記住，當(dāng)芯片、集成電路、半導(dǎo)體出現(xiàn)的時(shí)候，別慌，是同一碼事兒。

 

半導(dǎo)體芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 

半導(dǎo)體芯片雖然個(gè)頭很小。但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，尤其是其最核心的微型單元——成千上萬個(gè)晶體管。我們就來為大家詳解一下半導(dǎo)體芯片集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一般的，我們用從大到小的結(jié)構(gòu)層級(jí)來認(rèn)識(shí)集成電路，這樣會(huì)更好理解。

 

1系統(tǒng)級(jí)

 

我們還是以手機(jī)為例，整個(gè)手機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的電路系統(tǒng)，它可以玩游戲、可以打電話、可以聽音樂... ... 

 

它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由多個(gè)半導(dǎo)體芯片以及電阻、電感、電容相互連接組成的，稱為系統(tǒng)級(jí)。(當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，將一整個(gè)系統(tǒng)做在一個(gè)芯片上的技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)多年——SoC技術(shù))

 

2模塊級(jí)

 

在整個(gè)系統(tǒng)中分為很多功能模塊各司其職。有的管理電源，有的負(fù)責(zé)通信，有的負(fù)責(zé)顯示，有的負(fù)責(zé)發(fā)聲，有的負(fù)責(zé)統(tǒng)領(lǐng)全局的計(jì)算，等等 —— 我們稱為模塊級(jí)，這里面每一個(gè)模塊都是一個(gè)宏大的領(lǐng)域。

 

 

3寄存器傳輸級(jí)(RTL)

 

那么每個(gè)模塊都是由什么組成的呢？以占整個(gè)系統(tǒng)較大比例的數(shù)字電路模塊(它專門負(fù)責(zé)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，處理的電信號(hào)都是離散的0和1)為例。它是由寄存器和組合邏輯電路組成的。

 

寄存器是一個(gè)能夠暫時(shí)存儲(chǔ)邏輯值的電路結(jié)構(gòu)，它需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來控制邏輯值存儲(chǔ)的時(shí)間長短。

 

實(shí)際應(yīng)用中，我們需要時(shí)鐘來衡量時(shí)間長短，電路中也需要時(shí)鐘信號(hào)來統(tǒng)籌安排。時(shí)鐘信號(hào)是一個(gè)周期穩(wěn)定的矩形波?，F(xiàn)實(shí)中秒鐘動(dòng)一下是我們的一個(gè)基本時(shí)間尺度，電路中矩形波震蕩一個(gè)周期是它們世界的一個(gè)時(shí)間尺度。電路元件們根據(jù)這個(gè)時(shí)間尺度相應(yīng)地做出動(dòng)作，履行義務(wù)。

 

什么是組合邏輯呢，就是由很多“與(AND)、或(OR)、非(NOT)”邏輯門構(gòu)成的組合。比如兩個(gè)串聯(lián)的燈泡，各帶一個(gè)開關(guān)，只有兩個(gè)開關(guān)都打開，燈才會(huì)亮，這叫做與邏輯。

 

一個(gè)復(fù)雜的功能模塊正是由這許許多多的寄存器和組合邏輯組成的。把這一層級(jí)叫做寄存器傳輸級(jí)。

 

4門級(jí)

 

寄存器傳輸級(jí)中的寄存器其實(shí)也是由與或非邏輯構(gòu)成的，把它再細(xì)分為與、或、非邏輯，便到達(dá)了門級(jí)(它們就像一扇扇門一樣，阻擋/允許電信號(hào)的進(jìn)出，因而得名)。

 

5晶體管級(jí)

 

無論是數(shù)字電路還是模擬電路，到最底層都是晶體管級(jí)了。所有的邏輯門(與、或、非、與非、或非、異或、同或等等)都是由一個(gè)個(gè)晶體管構(gòu)成的。因此集成電路從宏觀到微觀，達(dá)到最底層，滿眼望去其實(shí)全是晶體管以及連接它們的導(dǎo)線。

 

雙極性晶體管(BJT)在早期的時(shí)候用的比較多，俗稱三極管。它連上電阻、電源、電容，本身就具有放大信號(hào)的作用。

 

像堆積木一樣，可以用它構(gòu)成各種各樣的電路，比如開關(guān)、電壓/電流源電路、上面提到的邏輯門電路、濾波器、比較器、加法器甚至積分器等等。由BJT構(gòu)建的電路我們稱為TTL(Transistor-TransistorLogic)電路。BJT的電路符號(hào)長這個(gè)樣子：

 

　

 

但是后來金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的出現(xiàn)，以優(yōu)良的電學(xué)特性、超低的功耗橫掃IC領(lǐng)域。除了模擬電路中BJT還有身影外，基本上現(xiàn)在的集成電路都是由MOS管組成的了。

 

同樣的，由它也可以搭起來成千上萬種電路。而且它本身也可以經(jīng)過適當(dāng)連接用來作電阻、電容等基本電路元件。MOSFET的電路符號(hào)如下：

 

 

綜上所述，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，芯片的制造，實(shí)際上就是成千上萬個(gè)晶體管的制造過程。只不過現(xiàn)實(shí)中制造芯片的層級(jí)順序正好反過來了，是從最底層的晶體管開始一層層向上搭建。

 

也就是說，按照“晶體管->芯片->電路板”的順序，我們最終可以得到電子產(chǎn)品的核心部件——電路板。