帶你看懂芯片的內部結構

在我們闡明半導體芯片之前，我們先應該了解兩點(diǎn)。其一半導體是什么，其二芯片是什么。

半導體

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

與導體和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導體才得到工業(yè)界的重視。常見(jiàn)的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅則是各種半導體材料中，在商業(yè)應用上最具有影響力的一種?！　?/p>

芯片

芯片(chip)，又稱(chēng)微芯片(microchip)、集成電路(integrated circuit， IC)。是指內含集成電路的硅片，體積很小。一般而言，芯片(IC)泛指所有的半導體元器件，是在硅板上集合多種電子元器件實(shí)現某種特定功能的電路模塊。它是電子設備中最重要的部分，承擔著(zhù)運算和存儲的功能。廣泛應用于軍工、民用等幾乎所有的電子設備。

講到這里你大概對于半導體和芯片有個(gè)簡(jiǎn)單了解了，接下來(lái)我們來(lái)聊聊半導體芯片?！　?/p>

半導體芯片是什么？

一般情況下，半導體、集成電路、芯片這三個(gè)東東是可以劃等號的，因為講的其實(shí)是同一個(gè)事情。

半導體是一種材料，分為表格中四類(lèi)，由于集成電路的占比非常高，超過(guò)80%，行業(yè)習慣把半導體行業(yè)稱(chēng)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?！　?/p>

所以對于小白來(lái)說(shuō)，只需要記住，當芯片、集成電路、半導體出現的時(shí)候，別慌，是同一碼事兒。

半導體芯片內部結構

半導體芯片雖然個(gè)頭很小。但是內部結構非常復雜，尤其是其最核心的微型單元——成千上萬(wàn)個(gè)晶體管。我們就來(lái)為大家詳解一下半導體芯片集成電路的內部結構。一般的，我們用從大到小的結構層級來(lái)認識集成電路，這樣會(huì )更好理解?！　?/p>

1、系統級

我們還是以手機為例，整個(gè)手機是一個(gè)復雜的電路系統，它可以玩游戲、可以打電話(huà)、可以聽(tīng)音樂(lè )... ...

它的內部結構是由多個(gè)半導體芯片以及電阻、電感、電容相互連接組成的，稱(chēng)為系統級。(當然，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，將一整個(gè)系統做在一個(gè)芯片上的技術(shù)也已經(jīng)出現多年——SoC技術(shù))

2、模塊級

在整個(gè)系統中分為很多功能模塊各司其職。有的管理電源，有的負責通信，有的負責顯示，有的負責發(fā)聲，有的負責統領(lǐng)全局的計算，等等 —— 我們稱(chēng)為模塊級，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(RTL)

那么每個(gè)模塊都是由什么組成的呢？以占整個(gè)系統較大比例的數字電路模塊(它專(zhuān)門(mén)負責進(jìn)行邏輯運算，處理的電信號都是離散的0和1)為例。它是由寄存器和組合邏輯電路組成的?！　?/p>

寄存器是一個(gè)能夠暫時(shí)存儲邏輯值的電路結構，它需要一個(gè)時(shí)鐘信號來(lái)控制邏輯值存儲的時(shí)間長(cháng)短?！　?/p>

實(shí)際應用中，我們需要時(shí)鐘來(lái)衡量時(shí)間長(cháng)短，電路中也需要時(shí)鐘信號來(lái)統籌安排。時(shí)鐘信號是一個(gè)周期穩定的矩形波?，F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。電路元件們根據這個(gè)時(shí)間尺度相應地做出動(dòng)作，履行義務(wù)?！　?/p>

什么是組合邏輯呢，就是由很多“與(AND)、或(OR)、非(NOT)”邏輯門(mén)構成的組合。比如兩個(gè)串聯(lián)的燈泡，各帶一個(gè)開(kāi)關(guān)，只有兩個(gè)開(kāi)關(guān)都打開(kāi)，燈才會(huì )亮，這叫做與邏輯?！　?/p>

一個(gè)復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。把這一層級叫做寄存器傳輸級?！　?/p>

4、門(mén)級

寄存器傳輸級中的寄存器其實(shí)也是由與或非邏輯構成的，把它再細分為與、或、非邏輯，便到達了門(mén)級(它們就像一扇扇門(mén)一樣，阻擋/允許電信號的進(jìn)出，因而得名)?！　?/p>

5、晶體管級

無(wú)論是數字電路還是模擬電路，到最底層都是晶體管級了。所有的邏輯門(mén)(與、或、非、與非、或非、異或、同或等等)都是由一個(gè)個(gè)晶體管構成的。因此集成電路從宏觀(guān)到微觀(guān)，達到最底層，滿(mǎn)眼望去其實(shí)全是晶體管以及連接它們的導線(xiàn)?！　?/p>

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

像堆積木一樣，可以用它構成各種各樣的電路，比如開(kāi)關(guān)、電壓/電流源電路、上面提到的邏輯門(mén)電路、濾波器、比較器、加法器甚至積分器等等。由BJT構建的電路我們稱(chēng)為T(mén)TL(
Transistor-TransistorLogic)電路。BJT的電路符號長(cháng)這個(gè)樣子：

但是后來(lái)金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)的出現，以?xún)?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(lái)成千上萬(wàn)種電路。而且它本身也可以經(jīng)過(guò)適當連接用來(lái)作電阻、電容等基本電路元件。MOSFET的電路符號如下：

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(wàn)個(gè)晶體管的制造過(guò)程。只不過(guò)現實(shí)中制造芯片的層級順序正好反過(guò)來(lái)了，是從最底層的晶體管開(kāi)始一層層向上搭建?！　?/p>

也就是說(shuō)，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。