半導體晶片內部結構

半導體晶片雖然個頭很小。但是內部結構非常複雜，尤其是其最核心的微型單元——成千上萬個 電晶體 。我們就來為大家詳解一下半導體晶片積體電路的內部結構。一般的，我們用從大到小的結構層級來認識積體電路，這樣會更好理解。

01

系統級

我們還是以手機為例，整個手機是一個複雜的電路系統，它可以玩遊戲、可以打電話、可以聽音樂、可以嗶--。它的內部結構是由多個半導體晶片以及電阻、電感、電容相互連線組成的，稱為系統級。（當然，隨著技術的發展，將一整個系統做在一個晶片上的技術也已經出現多年——SoC技術）

02

模組級

在整個系統中分為很多功能模組各司其職。有的管理電源，有的負責通訊，有的負責顯示，有的負責發聲，有的負責統領全域性的計算，等等。我們稱為模組級。這裡面每一個模組都是一個宏大的領域，都聚集著無數人類智慧的結晶，也養活了很多公司。

03

暫存器 傳輸級（RTL）

那麼每個模組都是由什麼組成的呢？以佔整個系統較大比例的數位電路模組（它專門負責進行邏輯運算，處理的電訊號都是離散的0和1）為例。它是由暫存器和組合邏輯電路組成的。

暫存器是一個能夠暫時儲存邏輯值的電路結構，它需要一個 時鐘 訊號來控制邏輯值儲存的時間長短。實際應用中，我們需要時鐘來衡量時間長短，電路中也需要時鐘訊號來統籌安排。時鐘訊號是一個週期穩定的矩形波。現實中秒鐘動一下是我們的一個基本時間尺度，電路中矩形波震盪一個週期是它們世界的一個時間尺度。電路元件們根據這個時間尺度相應地做出動作，履行義務。

什麼是組合邏輯呢，就是由很多“與（AND）、或（OR）、非（NOT）”邏輯閘構成的組合。比如兩個串聯的燈泡，各帶一個開關，只有兩個開關都開啟，燈才會亮，這叫做與邏輯。

一個複雜的功能模組正是由這許許多多的暫存器和組合邏輯組成的。把這一層級叫做暫存器傳輸級。

04

門級

暫存器傳輸級中的暫存器其實也是由與或非邏輯構成的，把它再細分為與、或、非邏輯，便到達了門級（它們就像一扇扇門一樣，阻擋/允許電訊號的進出，因而得名）。

05

電晶體級

無論是數位電路還是類比電路，到最底層都是電晶體級了。所有的邏輯閘（與、或、非、與非、或非、異或、同或等等）都是由一個個電晶體構成的。因此積體電路從宏觀到微觀，達到最底層，滿眼望去其實全是電晶體以及連線它們的導

半導體

最好的導體都有一個價電子，最好的絕緣體都有8個價電子，半導體介於導體和半導體之間，最好的半導體都有4個價電子。

1、鍺半導體

早期半導體元器件使用的唯一原材料，但是鍺半導體存著致命的缺陷，反向電流過大，後來矽半導體的實用化，大部分器件開始使用矽製造！鍺應用的很少了。

2、矽半導體

矽是地球上除氧外含量最豐富的元素，早期矽的提純技術制約了矽的應用，提純技術突破後，矽成為半導體的首要材料。

1、半導體工藝中無法制造出100%純淨的本徵半導體，從現在應用的角度來看，製造本徵半導體意義不大，很多時候需要的是摻雜的半導體。

2、以Si為例，其製作過程可以歸納為先用各種反應得到純淨的Si，然後在用拉晶過程將液態的Si拉成單晶Si。拉晶的過程比較經典的就是直拉法。以一小塊單晶Si作為籽晶，透過一定個工藝條件使液態的Si附著在籽晶上形成單晶體。

原子核心與價電子之間的吸引力很小，外力非常容易使這個電子脫離銅原子，這就是價電子經常稱為自由電子的原子的原因，也是銅成為良導體的原因，外加微小的電壓，自由電子就在電場的作用下形成定向移動，也就是形成電流。最好的導體是銅、銀、金，他們都可以用核心圖表示。