芯片是如何工作的呢，工作原理是什么呢？

　　这是一枚封装好的芯片，内部有数十或者数百亿晶体管组成的集成电路。当我们在显微镜下放大，可以看到内部像一座城市一样复杂，集成电路是一种微型电子器件或者部件，其采用一定的工艺，把一个电路中所需要的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互联一起，制作在一小块或者几小块半导体晶片或者介质基片上，形成结构上紧密联系的、内部相关的电子电路，我们以最基础的分压电路为例，来说明下它是怎么在芯片内部实现和产生作用的。

　　集成电路可以做小完全得益于半导体工艺，纯硅是半导体，这意味着导电的能力要比绝缘体好，但不如金属。所以移动电荷数量少是使得硅成为半导体的原因。但是芯片工作却少不了一个秘密武器---掺杂。硅有两种掺杂类型，分别为P型和N型。N型的硅靠电子导电（电子带负电），P型的硅靠空穴导电（有大量带正电的空穴），那分压电路中的开关在芯片中长什么样子，怎么工作的呢？

　　在集成电路中负责开关功能的是晶管体，这是一种电子开关，常见的有MOS管，而MOS管在芯片中就是由N型和P型半导体制成，在P型硅的基底上制造出两个N型硅区域，这两个N型硅区域就是MOS管的Source极、Drain极，然后再在Source、Drain中间区域的上方制造一层二氧化硅，再在二氧化硅上盖一层导体，这层导体就是MOS 管的GATE极。P型材料有大量空穴，只有极少的电子，而空穴带的是正电，所以这部分区域带正电的空穴占主导，有少量带负电的电子，N型区域，就是带负电的电子占主导。

　　我们以水龙头来类比一下，最右边的是Source，我们叫源极，就是水源流出的地方，中间的是GATE极，就叫栅极，相当于水阀。左边的叫漏极，就是漏水的地方，和水流一样，电子也是从源极流向漏极，然后中间有个阻碍，就是P材料，P材料有大量带正电的空穴，电子碰到空穴就中和了，过不去了。那怎么办呢？我们可以在栅极加一个正电，把P型材料里带负电的电子吸过来，虽然P型材料中电子不多，但是栅极加一个正电，还是能吸来一些电子，形成一个通道，让电子通过。总结下就是，源极是电子的源头，源源不断地提供电子流向漏极，但能不能通过要听栅极的。栅极就像一个阀门，一个开关，控制着MOS管的打开和关断，这就是MOS管作为电子开关的原理。

　　电子开关现在都知道了，再看下电阻的实现方式，先在P型硅的基底上制造一块N型区域，再用金属把N型区域的两端引出，这样子N1、N2就是电阻的两端了，所以说分压电路的集成电路就是用金属把我们刚刚讲的MOS管和电阻,按照电路的连接关系在硅片上把它们连接起来。

　　举一反三，就算是再复杂的电路，它的集成电路实现方式也会类似的，那就是在硅片上制造出电路中所需的各种器件，然后用金属把它们按照设计要求进行连接，这样就可以工作啦~

　　大家现在知道芯片是如何工作的了吗？工作原理清楚了吗？有疑问欢迎大家在评论区留言哦。

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动图加详细解释：让你一下看懂芯片是如何制造出来的

作者：佰思科学｜沈东旭邱亚明

芯片可以被称为现代信息产业的粮食，如果没有芯片，所有的信息产品都要停摆。 近来美国对华为的制裁，传说中的对中芯国际的制裁，都是想从根本上阻挡中国信息产业的蓬勃发展之势。

芯片是如此的重要，大家也对芯片行业的发展动态十分的关注。故而很多人也想更清楚地了解，芯片到底是如何制造出来的。本文通过一系列动图向你展示整个芯片的制造流程。芯片的诞生过程，可以分为设计、制造、封测三大步。

设计

芯片的诞生总是从设计开始的。 下面你所看到的，就是芯片的设计图。

芯片设计图

在芯片设计图中，你可以看到很多这样的符号：

晶体三极管

这些都是晶体管的符号。晶体管有三个管脚，上下两个管脚C和E之间可以流过电流，而中间那个B管脚则是一个开关，决定了C和E之间能否有电流通过。看起来就好像下图一样，

晶体管工作示意图

当然，点按开关的小手指头，只不过是一个可爱的模拟；真实的实现，是通过B管脚的电流来控制，直观来说如下图所示，

晶体管的工作原理

我们都知道，在数字化系统中，信息都有0、1来代表，因此晶体管这种开与关的状态天然与0、1状态相切合，自然而然就成了数字电路中最基本的组成部分。换句话说，用一定数量的晶体管，就能实现我们想要的功能；想要得到更多更好的功能，就要增加晶体管数量。假如我们把芯片比做一栋大厦，那么晶体管就是建设这栋大厦的每一块砖。

一开始，晶体管长成这样：

晶体管

是不是感觉有点占地方？于是，人们就想办法把晶体管做小，就出现了集成电路，也就是芯片。 在芯片里，集成了大量的晶体管。对同样面积的芯片来说，每一个晶体管的尺寸越小，能容纳的晶体管数量就越多，芯片功能就越强大。简单来说，晶体管两个管脚之间的距离被定义为线宽，线宽越窄，则晶体管就越小，那么芯片能容纳的晶体管就越多。我们常说某种芯片采用了5纳米或者7纳米的工艺，这里面的5纳米或7纳米指的就是晶体管的线宽。以华为最新的麒麟1020芯片为例，采用的是台积电5nm工艺，晶体管数量达到了惊人的150亿。

麒麟1020是当前世界上最先进的手机处理器

制造

芯片设计好了，该怎么制造呢？芯片是在一块圆型的高纯度硅片上进行制造的，人们管它叫做晶圆（Wafer）。硅的纯度非常高，用于做芯片的硅能达到11个9的纯度，就是99.999999999%。

晶圆由高纯度的硅制成

晶圆有不同的直径。随着技术的进步，晶圆的直径总是在增加。 大晶圆能生产更多的芯片，更少的浪费，因此能带来更好的制造效率，降低成本。近年来，晶圆的直径从4英寸（100mm）、6英寸（150mm），已经增加到8英寸（200mm）、12（300mm）英寸。未来还会增加到15英寸甚至20英寸。

不同的晶圆尺寸

制造芯片的过程，本质上来说就是在硅材料上实现一个个晶体管的过程。 芯片里面的晶体管可以抽象成下图中的模式：

芯片里的晶体管

在硅晶体的上面，需要有一个二氧化硅绝缘层，再上面还有一个导电硅化合物层（图中红色部分），起到开关的作用。晶体管的电流流动模式如下图所示：

晶体管内的电流流动

整个芯片的制造过程分为很多细小的步骤。首先晶圆要放进加热炉（Furnace）里，炉子的温度有1000℃，目的是将晶圆表面氧化，形成二氧化硅绝缘层。

晶圆被放进加热炉中氧化

然后，在晶圆表面涂上光刻胶，这是为了进行晶圆曝光做准备。

涂光刻胶

至此，所有的准备工作都做完了，下一步就是上光刻机了。在曝光之前，你需要有光掩膜（Mask）。这是一块绘有电路图的玻璃，光刻机就要把上面的电路图投影到晶圆上面去。光掩膜是非常贵的，几十万美元很常见，贵的甚至超过一百万美元。

光掩膜

晶圆曝光的原理很简单，就是光通过掩膜和镜头，投射到晶圆上面去。

晶圆曝光的原理

现在进行晶圆曝光的光源通常是深紫外光（DUV）或者极紫外光（EUV）。光刻机曝光的过程可以看下图：

光刻机进行晶圆曝光

原理虽然简单，但执行曝光操作的光刻机则是超级复杂的机器，号称人类有史以来做过的最复杂的机器。在所有芯片生产步骤里，中国企业与世界先进水平差距最大的就是光刻机；其他领域虽然也有差距但解决起来都比光刻机容易。 换句话说，只要中国的光刻机水平能与世界先进水平看齐，则中国整体芯片生产能力也将达到世界先进水平。光刻机包括了光源，透镜和双工件台三大部分，双工件台相当于放晶圆的架子。 光刻机的内部结构见下图，

光刻机的内部结构

曝光之后，就要把晶圆上不需要的部分去掉，需要的部分保留。下一道工序就叫做蚀刻 ，常用的方法是等离子蚀刻，晶圆在蚀刻机受到等离子体的轰击，不需要的部分就被去除了。

蚀刻机在工作

再下一步就是离子注入，也叫做掺杂 --硅片内需要掺入一些元素以改变硅的导电性能。在离子注入机里，这些元素的带电离子被加速后撞击晶圆，进入硅片内部。

离子注入设备

这个步骤完成之后，一个曝光流程就基本结束了。通常每次曝光制作的只是芯片的一部分，完整的芯片需要多次曝光完成。于是又要重复之前说过的氧化、镀膜、光刻、蚀刻、掺杂等步骤，复杂的芯片要反复操作好几十次，才能最终完成。

封测

对芯片代工厂来说，处理完成的晶圆是这样的。

代工厂加工好的晶圆

再下一步的工作就是送去封测厂，先对晶圆进行切割，就得到了一个个的裸片，die。

切割晶圆

裸片放到合适的包装里，再经过检测，就成为芯片了。

芯片常见的封装形式

如果以上解释你看的不过瘾，可以在我们头条主页看一个由佰思科学制作的2分半钟的芯片制作视频！

上海羊羽卓进出口贸易有限公司

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