芯片的工作原理

芯片是一种用于电子器件中的电子元件，通常由大量微小的电路元件组成，负责各种不同的电子功能。芯片的工作原理主要分为两个方面：芯片内部的电路运作和芯片与外部电路之间的交互作用。本文将对这两个方面进行分析。

1. 芯片内部的电路运作

芯片内部的电路由多个微小的元件组成，包括晶体管、电容、电阻和电感等。这些元件通过线路和电气信号联系在一起，形成复杂的电子电路。在芯片内部，电子经过电路的不同部分，包括控制、放大、逻辑运算和存储等，实现芯片的不同功能。

芯片内部的电路运作涉及到电子的移动和互动。当电子通过芯片中的晶体管时，晶体管可以控制电子的流动，以实现不同的功能。例如，晶体管可以放大电子信号，以增加信号的强度。芯片的内部电路可以实现各种不同的功能，如处理数字信号、计算、控制逻辑、存储数据等。

2. 芯片与外部电路之间的交互作用

芯片与外部电路之间的交互作用是芯片工作原理的另一个方面。芯片需要与外部电路进行通信，接收、处理和输出信号，以完成各种应用，如移动通信、计算机系统和嵌入式系统等。芯片通常包括输入/输出接口电路，它将芯片内部的信号转化为标准的输入输出信号。这些信号通过芯片的引脚与外部电路连接，以实现和控制不同的功能。

芯片与外部电路之间的交互作用是通过芯片的引脚实现的。芯片引脚的数量和位置决定了芯片可以完成的不同功能。例如，智能手机中的芯片包括处理器、内存、存储、无线通信和传感器等。芯片与手机屏幕、摄像头、扬声器等外部设备相互协作，实现不同的应用，如拍照、视频播放、游戏和电子邮件等。

芯片的工作原理是由内部的电路和芯片与外部电路之间的交互作用组成。芯片内部的电路可以实现不同的功能，而芯片与外部电路之间的交互作用则可以使芯片实现更高级、更复杂的应用。芯片技术的快速发展将进一步推动电子信息产业的发展和变革，为人类带来更加便利和高效的生活方式。

如何通过沙子来改变这个世界？详解芯片工作及制造原理

沙子在我们普通人的眼中可能只是一种廉价的建筑材料，然而，科学家们通过自己的智慧，将这些不起眼、廉价的沙子制成半导体材料，价值瞬间翻了几十万倍，形成了一个巨大的半导体产业，中国每年进口半导体芯片所花费的金额就达到了几万亿人民币，已经超过了石油的进口总额，集成电路与半导体材料已经成为了社会发展的“刚需”。那么人类是如何将沙子摇身一变成为价值媲美黄金的芯片呢？接下来我们将进入制造半导体的世界。

半导体芯片

从沙子到单晶硅再到晶圆

沙子是我们生活中非常常见的一种物质，它的主要组成成分是石英，也就是二氧化硅（SiO2）,沙子中二氧化硅含量高，因此，对于半导体产业来说，沙子是再合适不过的原料了。制作半导体材料所需要的原料是单晶硅，因此，需要先将沙子中的氧去除，从而得到单质硅。

沙子

要将沙子中的二氧化硅变为单质硅，需要将沙子中的二氧化硅进行还原。一般是在电弧炉中，将石英含量较高的沙子和焦炭按适当的比例加入，在2000℃的高温中反应并生成硅单质。

电弧炉

二氧化硅还原

然而，通过上面反应之后得到的硅杂质含量很高，硅的纯度一般只有95%~99%，这种硅称为冶金级硅。只有极少数的高纯度冶金级硅(纯度≥98%)才能用于进一步提纯为高纯度的电子级多晶硅，而这些能达到要求的仅占冶金级硅的1%。

超大规模集成电路的硅材料，纯度需要达到10~11个9，也就是平均几百亿个原子中仅含有一个杂质原子，这个纯度是非常高的，因此，需要将上面得到的硅进一步提纯。

一般先将粗硅与氯化氢（HCl）气体在高温下反应，生成三氯化氢硅（SiHCl3），同时也会生成SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl、AlCl3、FeCl3等物质，再利用这些物质沸点的不同在蒸馏塔中控制温度进行多次精馏分离。

得到的高纯SiHCl3再与H2通入还原炉中，利用高纯硅细棒作为发热体，加热到1100℃左右，SiHCl3会与H2在炉内反应，生成Si和HCl，新生成的硅会沉淀在硅棒上，使硅棒逐渐变粗，得到高纯度的硅单质。

粗硅进一步提纯工艺

制备芯片所需要的硅必须是要单晶硅，所谓的单晶，就是物质内部的原子排列整齐有序的，而上述得到的反应得到的单质硅内部结构并非有序结构，一般为非晶结构或多晶结构，非晶即为原子排列完全没有规则，杂乱无章，而多晶则为部分结构有序，而长程无序，微观的区域内为晶体结构，很多的晶体结构之间存在着晶界。因此需要进一步重新熔化结晶得到单晶硅。

单晶硅结构和非晶硅结构

目前制备单晶硅一般使用直拉法，将熔融的单质硅控制到熔点温度，在熔点温度下用一块小的单晶硅（晶籽）引出，液态的硅会在晶籽的表面一层一层逐渐生长，形成单晶结构。

熔融的硅原子不断地在晶棒下端有序生长

在生长的过程中，单晶硅棒需要不停的旋转，而下面的坩埚反方向旋转，单晶硅棒一边旋转一边缓慢提起。之所以要旋转是因为熔体内溶液温度存在温差会形成自然对流，并且晶体在提升的过程中也会引起对流，因此，旋转的过程可以使温度更为均匀，并且也利于杂质的均匀分布。

在实际操作的过程中，转动速率需要通过对热流以及熔体性质进行分析并准确的计算，这样拉出来的单晶棒才能生长均匀，结构完整。

拉出来的单晶硅棒制成之后，需要进行切片，切割的过程一般使用钢线切割，钢线的长度一般为数百千米，并且切割速度达到600~800m/min，钢线的表面一般镀有碳化硅颗粒，这类物质硬度极大，切割速度也非常快。

线切割原理

切割之后一个硅锭就可以得到很多的单晶硅片，这就是我们常听的晶圆。由于切割过程中表面并不平整，因此，还需要进行清洗，抛光等过程。

芯片的制作过程极其复杂，上面这一系列过程只是处于上游的制作过程，芯片的制作可以说在这里才真正开始。

芯片实际上是由几十亿个晶体管组成，制作芯片，就是相当于要在晶圆上刻蚀出无数微小的晶体管，并将它们通过极其细小的电路连接起来。在了解芯片的工作原理以及制备工艺之前，我们先要了解什么是晶体管以及它有什么作用。

晶体管及芯片工作原理

常用的晶体管一般为二极管和三极管，晶体管中最重要的部分就是P-N结，P-N结有一个特殊的性质，那就是单向导电性。

P-N结就是将一块P型半导体于N型半导体相接触，那么，在它们相接触的地方就形成了一个P-N结。

P型半导体

P型半导体指掺入少量硼（B）原子的硅晶体，硅元素处于第四周期元素，原子核最外层具有四个电子，而硅在该电子层电子数为8个的时候会形成稳定结构，因此单晶体中一个硅原子会与四个硅原子形成四对共价键，下面就是单晶硅的电子结构。

而硼原子最外层只有三个电子，因此，硼原子在与硅原子形成共价键时，会形成7个电子的结构，相比硅单质少了一个电子，相当于空了一个位置，我们把这个空的位置称为“空穴”。

“空穴”可以在这个结构中随意流动，因此，这类半导体就具有了导电性。

N型半导体

N型半导体指掺入少量磷（P）原子的硅晶体，磷原子最外层有5个电子，因此在与四个硅原子形成共价键时，就会多出一个电子，这个电子也是可以自由移动的。

P型和N型半导体结合形成P-N结，由于N型半导体存在多余电子，电子浓度较大，而P型半导体中存在很多电子空位，于是N型半导体中的电子会自发流向P型半导体。由于扩散作用导致电荷不平衡，于是会形成内建电场。

当外加一个电压形成的电场与内建电场相反时，便可以抵消内电场，同时可以在负极注入更多的电子，这个时候便形成了通路。当加入一个反向电压时，外电场方向与内电场方向相同，电场加强，电子便无法通过，这就是P-N结单向导电的本质原因。

上面这个是一个P-N结形成的二极管，当多个N型半导体与P型半导体相结合时，就能够形成三极管，三极管相当于是一个继电器，利用小电流控制大电流。

我们以一个NPN三极管为例，进行分析

一个三极管会存在两个P-N结，方向相反，每种类型的半导体都会有一个引脚，当我们在集电极与发射极两端接上电压时，无论电压是哪个方向，总会有一个PN结所形成的内电场与外电源的电场相同，因此ec两端始终无法形成通路。那么如果在be端另外加上一个电压就不一样了。另外加上的这个电压可以抵消一个P-N结的作用，电子可以顺利的从下面的N极流入P极，由于中间的P极非常窄，流入的多余电子会被c处的电极所吸引，于是ec之间形成了通路。ec之间的电流会比be之间的电流大几百倍，这就形成了一个电流放大的作用。

三极管电路图

三极管电流的放大作用演示

晶体管中还有一种mos管，它的作用和三极管非常类似，三极管是通过小电流来控制大电流，而mos管不是通过电流来控制，而是通过电压。

我们以上图左边的N沟道场效应管类型为例进行分析，当在栅极加入一个正电压时，两端源极与漏极（N区）中的电子会被吸引到中间的P区，由于栅极与P区之间存在一层氧化物薄膜，电子无法通过，于是电子会聚集在P区，但是无法流入栅极，这个时候在源极与漏极之间加入电压的话就会形成一个通路，于是会有电流流过。

这就是晶体管的工作原理

通过上面的介绍，我们知道了晶体管的原理，如果用一句简单的话来总结晶体管的话，那么这些晶体管的作用就相当于是一个开关，当中间电极提供电流或者电压时，两端则会形成通路，相当于用手按下了开关，而没有电流或者电压时，则电流无法通过，相当于断开了开关。了解了这个原理，那么，晶体管在CPU中是如何发挥作用的呢？

CPU可以说是一个计算机的大脑，它通过快速的运算来为我们服务。在计算的过程，全靠这些晶体管。我们知道，计算机存储数据的原理是利用0和1来进行储存，计算机之所以使用二进制，是因为对于电子机器来说，一切事物无非只存在两种状态：有或者没有。这个有或者没有对应着电路的断路或者通路。前面讲过晶体管就相当于开关，将这些开关通过不同的组合就能够得到各种门电路，输入不同的数据0、1就对应着这些开关的断开、闭合，通过门电路，我们就知道输出端是否有电流，这个输出端是否有电流对应着输出0或者1，通过这些大量的开关进行各种组合，我们就可以得到一个超强计算能力的处理器，实上CPU计算的过程，就是这些开关不断闭合、断开的过程。而单个晶体管开关的速度可以达到每秒1000万次以上，因此晶体管数量越多，开关速度越快，CPU的运算速度就越快。

逻辑电路

当然这只是简要的描述了CPU的部分功能，CPU其实不仅仅有计算功能，同时还拥有其它的模块，这里就不详细介绍，我们知道其中的主要原理就可以了。

从晶圆到芯片

知道了CPU中晶体管的作用，那么我们就能明白芯片为什么要进行下面这些制作工艺了。CPU中的主要部件就是上面所提到的这些晶体管的组合（主要是mos管），以目前的工艺技术，在一块拇指大的单晶硅片上就能制成几十亿个晶体管，并且将所有的晶体管连接起来，组成集成电路，因此工艺非常复杂。

下面就是关于在晶圆上制作出晶体管的工艺流程。

光刻蚀的目的就是将设计好的电路“雕刻”在硅片上，晶圆在光刻蚀之前，会对晶圆进行热处理，使表面形成一层氧化层（SiO2），然后再涂上一层薄薄的光刻胶，光刻胶有一个特殊的性质，就是被紫外线照射之后，会从不溶于水变为可溶于水。首先工程师会将电路设计成一个模板，再利用紫外线照射照射模板，通过模板的紫外线光汇集在特定的位置，照射的区域就是电路的轨迹，再用水进行清洗，被照射部分的光刻胶就被清理掉了。

涂上光刻胶

光刻过程——紫外线照射

被照射部分光刻胶被清洗掉

光刻机

被清洗掉的光刻胶之后，下面的二氧化硅层便暴露出来了，接下来会用溶液对二氧化硅层进行腐蚀，使下面的硅层暴露出来，暴露出来的硅层将会进行掺杂，根据不同的晶体管类型，选择掺杂什么样的杂质，形成P型或者N型半导体。

掺杂方式：离子注入法

离子注入法是将n型或p型掺杂剂的离子束在静电场中加速，注入p型或n型半导体表面区域，在表面形成与基体型号相反的半导体，从而形成P-N结。这些离子在电场中加速后得到的能量可以达到几十万电子伏特。之后经过离子注入之后的晶圆再进行处理，将剩下的光刻胶打磨清除掉。

离子注入

而经过强电场注入的杂质原子在硅中的结构并不规则，因此需要将注入离子的晶圆在一定条件下进行热处理，使杂质原子移动至硅原子的晶格上，占据一个硅原子的位置，从而形成规则的P型结构或N型结构。

经过刻蚀之后的晶圆表面凹凸不平，反射的光线经过干涉之后呈现五彩斑斓的颜色

掺杂的操作需要进行很多次，每次掺杂都需要经过涂上光刻胶、光刻、清洗、腐蚀、离子注入、热处理这些过程。最后在晶圆表面利用气相沉积法沉积一层二氧化硅薄膜进行绝缘处理，之后再涂上光刻胶、光刻、清洗、腐蚀，在绝缘层表面进行得到一个开孔，用于引出电极导线。

绝缘层上腐蚀开孔

上面这些过程基本已经形成了晶体管结构，接下来就要将这些成型的晶体管利用线路连接起来，而连接的线路就是铜。利用硫酸铜溶液电解在直流电下进行电解，从而在表面沉积形成一层铜。

因为整个表面都会被铜所覆盖，因此需要再打磨去掉多余的铜，从而在晶体管的三个电极上引出铜接口。

接下来就需要利用铜线将所有的晶体管进行连接，构建完整的电路，而电路的构建并不是一层结构就能够满足的，需要在晶体上方一层一层连接，构建每一层的电路都需要进行涂胶、光刻、镀铜、打磨这些工序，而芯片中这些线路的连接层数多达几十层。

构建电路

在显微镜下将芯片电路放大

经过上面的步骤，每个单独的芯片就制作好了，一块晶圆中就有几百个芯片单元，接下来需要对每一小块芯片进行测试，并将晶圆进行切割，分离各个芯片，将合格的芯片进行装片，并加上外壳进行封装。

芯片检测

晶圆切割

芯片封装

经过上面这些过程，一个完整的芯片就诞生了。一个芯片从晶圆到封装，都需要经过上千道工艺，芯片的制造一定程度上反应了人类科技的最高水准，甚至有些人认为芯片就像是一个外来的产物，人类居然能够拥有如此高超的技术制造出这么复杂的东西。那些曾经让芯片从无到有的科学家，他们的智力以及想象力令人折服。

总结

上面对芯片进行了大幅度完整的介绍，如果简单总结一下上面所介绍的芯片制作工艺就是：

硅提纯、切割、制作晶圆→光刻、腐蚀、离子注入、构建电路→芯片测试、晶圆切割、装片封装→芯片诞生。一颗沙子经过这样一个流程，摇身一变，价值甚至超过了黄金。但不得不说，一块芯片的研发，不仅花费的是高昂的成本，更是无数科研人员心血。

现在的芯片无处不在，从手机到人工智能再到航空航天，每一项技术都离不开芯片的支撑，而制作芯片的光刻机更是掌握着芯片产业的命脉，芯片正在改变着这个世界，在未来，我国在芯片技术上也一定能够有所突破。

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（部分图片来源于网络，侵权删）

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