↖  点沙成金：半导体芯片-2..

02 芯片原理和量子力学

很多人觉得量子力学只是一个数学游戏，没有应用价值，呵呵，下面咱给计算机芯片寻个祖宗，请看示范：
导体，咱能理解，绝缘体，咱也能理解，我们第一次被物理整懵的，怕是半导体了，所以先替各位的物理老师把这债还上。

原子组成固体时，会有很多相同的电子混到一起，但量子力学认为，2个相同电子没法待在一个轨道上。
于是，为了让这些电子不在一个轨道上打架，很多轨道就分裂成了好几个轨道，这么多轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。这种由很多细轨道挤在一起变成的宽轨道就叫能带。

有些宽轨道挤满了电子，电子就没法移动，有些宽轨道空旷的很，电子就可自由移动。电子能移动，宏观上表现为导电，反过来，电子动不了就不能导电。
好了，我们把事情说得简单一点，不提“价带、满带、禁带、导带”的概念，准备圈重点！

有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这就是导体。一价金属的导电原理稍有不同。
但很多时候两条宽轨道之间是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，也就不导电了。

但如果空隙的宽度在5ev之内，给电子加个额外能量，也能跨到空轨道上，跨过去就能自由移动，也就是导电。
这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时能导电有时不能导电，所以叫半导体。

如果空隙超过5ev，那基本就得歇菜，正常情况下电子是跨不过去的，这就是绝缘体。当然，如果是能量足够大的话，别说5ev的空隙，50ev都照样跑过去，比如高压电击穿空气。
到这，由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，即，取决于满轨道和空轨道之间的间隙，学术点说，取决于价带和导带之间的禁带宽度。

半导体离芯片原理还很遥远，别急。
很明显，像导体这种直男没啥可折腾的，所以导线到了今天仍然是铜线，技术上没有任何进展，绝缘体的命运也差不多。
半导体这种暧暧昧昧的性格最容易搞事情，所以与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业，如芯片、雷达。

下面有点烧脑细胞。
基于一些简单的原因，科学家用硅作为半导体的基础材料。硅的外层有4个电子，假设某个固体由100个硅原子组成，那么它的满轨道就挤满了400个电子。

这时，用10个硼原子取代其中10个硅原子，而硼这类三价元素外层只有3个电子，所以这块固体的满轨道就有了10个空位。这就相当于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子，为电子的移动提供了条件。这叫P型半导体。

同理，如果用10个磷原子取代10个硅原子，磷这类五价元素外层有5个电子，因此满轨道上反而又多出了10个电子。相当于挤满人的公交车外面又挂了10个人，这些人非常容易脱离公交车。这叫N型半导体。

现在把PN这两种半导体面对面放一起会咋样？不用想也知道，N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的“PN结”。(动图来自《科学网》张云的博文)

这时候再加个正向的电压，N型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到P型半导体的空位上，电子的移动就是电流，这时的PN结就是导电的。

如果加个反向的电压呢？从P型半导体那里再抽电子到N型半导体，而N型早已挂满了额外的电子，多出来的电子不断增强电场，直至抵消外加的电压，电子就不再继续移动，此时PN结就是不导电的。

当然，实际上还是会有微弱的电子移动，但和正向电流相比可忽略不计。

如果你已经被整晕了，没关系，用大白话总结一下：PN结具有单向导电性。
好了，我们现在已经有了单向导电的PN结，然后呢？把PN结两端接上导线，就是二极管：

有了二极管，随手搭个电路：

三角形代表二极管，箭头方向表示电流可通过的方向，AB是输入端，F是输出端。
如果A不加电压，电流就会顺着A那条线流出，F端就没了电压；如果AB同时加电压，电流就会被堵在二极管的另一头，F端也就有了电压。

假设把有电压看作1，没电压看作0，那么只有从AB端同时输入1，F端才会输出1，这就是“与门电路”，
同理，把电路改成这样，那么只要AB有一个输入1，F端就会输出1，这叫“或门电路”：

现在有了这些基本的逻辑门电路，离芯片就不远了。你可以设计出一种电路，它的功能是，把一串1和0，变成另一串1和0。
简单举个例子，给第二个和第四个输入端加电压，相当于输出0101，经过特定的电路，输出端可以变成1010，即第一个和第三个输出端有电压。

我们来玩个稍微复杂一点的局：

左边有8个输入端，右边有7个输出端，每个输出端对应一个发光管。从左边输入一串信号：00000101，经过中间一堆的电路，使得右边输出另一串信号：1011011。
1代表有电压，0代表无电压，有电压就可以点亮对应的发光管，即7个发光管点亮了5个，于是，就得到了一个数字“5”，如上图所示。
终于，我们已经搞定了数字是如何显示的！

如果你想进行1+1的加法运算，其电路的复杂程度就已经超过了99%的人的智商了，即便本僧亲自出手，设计电路的运算能力也抵不过一副算盘。
直到有一天，有人用18000只电子管（二极管?），6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线组成了一个超级复杂的电路，诞生了人类第一台计算机，重达30吨，运算能力5000次/秒，还不及现在手持计算器的十分之一。
不知道当时的工程师为了安装这堆电路，脑子抽筋了多少回。

接下来的思路就简单了，如何把这30吨东西，集成到指甲那么大的地方上呢？这就是芯片。

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