帶你看懂芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在我們闡明半導體芯片之前，我們先應該了解兩點。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、陶瓷等稱為絕緣體。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。

與導體和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術(shù)改進以后，半導體才得到工業(yè)界的重視。常見的半導體材料有硅、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)，又稱微芯片(microchip)、集成電路(integrated circuit， IC)。是指內(nèi)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現(xiàn)某種特定功能的電路模塊。它是電子設(shè)備中最重要的部分，承擔著運算和存儲的功能。廣泛應用于軍工、民用等幾乎所有的電子設(shè)備。

講到這里你大概對于半導體和芯片有個簡單了解了，接下來我們來聊聊半導體芯片?！　?/p>

半導體芯片是什么？

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

半導體是一種材料，分為表格中四類，由于集成電路的占比非常高，超過80%，行業(yè)習慣把半導體行業(yè)稱為集成電路行業(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。　　

所以對于小白來說，只需要記住，當芯片、集成電路、半導體出現(xiàn)的時候，別慌，是同一碼事兒。

半導體芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

半導體芯片雖然個頭很小。但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復雜，尤其是其最核心的微型單元——成千上萬個晶體管。我們就來為大家詳解一下半導體芯片集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一般的，我們用從大到小的結(jié)構(gòu)層級來認識集成電路，這樣會更好理解?！　?/p>

1、系統(tǒng)級

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

它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由多個半導體芯片以及電阻、電感、電容相互連接組成的，稱為系統(tǒng)級。(當然，隨著技術(shù)的發(fā)展，將一整個系統(tǒng)做在一個芯片上的技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)多年——SoC技術(shù))

2、模塊級

在整個系統(tǒng)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(tǒng)領(lǐng)全局的計算，等等 —— 我們稱為模塊級，這里面每一個模塊都是一個宏大的領(lǐng)域。

3、寄存器傳輸級(RTL)

那么每個模塊都是由什么組成的呢？以占整個系統(tǒng)較大比例的數(shù)字電路模塊(它專門負責進行邏輯運算，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>

寄存器是一個能夠暫時存儲邏輯值的電路結(jié)構(gòu)，它需要一個時鐘信號來控制邏輯值存儲的時間長短?！　?/p>

實際應用中，我們需要時鐘來衡量時間長短，電路中也需要時鐘信號來統(tǒng)籌安排。時鐘信號是一個周期穩(wěn)定的矩形波?，F(xiàn)實中秒鐘動一下是我們的一個基本時間尺度，電路中矩形波震蕩一個周期是它們世界的一個時間尺度。電路元件們根據(jù)這個時間尺度相應地做出動作，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)”邏輯門構(gòu)成的組合。比如兩個串聯(lián)的燈泡，各帶一個開關(guān)，只有兩個開關(guān)都打開，燈才會亮，這叫做與邏輯?！　?/p>

一個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、門級

寄存器傳輸級中的寄存器其實也是由與或非邏輯構(gòu)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/允許電信號的進出，因而得名)?！　?/p>

5、晶體管級

無論是數(shù)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(與、或、非、與非、或非、異或、同或等等)都是由一個個晶體管構(gòu)成的。因此集成電路從宏觀到微觀，達到最底層，滿眼望去其實全是晶體管以及連接它們的導線?！　?/p>

雙極性晶體管(BJT)在早期的時候用的比較多，俗稱三極管。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(gòu)成各種各樣的電路，比如開關(guān)、電壓/電流源電路、上面提到的邏輯門電路、濾波器、比較器、加法器甚至積分器等等。由BJT構(gòu)建的電路我們稱為TTL(
Transistor-TransistorLogic)電路。BJT的電路符號長這個樣子：

但是后來金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的出現(xiàn)，以優(yōu)良的電學特性、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(xiàn)在的集成電路都是由MOS管組成的了。

同樣的，由它也可以搭起來成千上萬種電路。而且它本身也可以經(jīng)過適當連接用來作電阻、電容等基本電路元件。MOSFET的電路符號如下：

綜上所述，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，芯片的制造，實際上就是成千上萬個晶體管的制造過程。只不過現(xiàn)實中制造芯片的層級順序正好反過來了，是從最底層的晶體管開始一層層向上搭建?！　?/p>

也就是說，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。