计算机系统2->从芯片说起 | 芯片怎样诞生

这部分数字逻辑课上老师在讲CMOS部分时有讲过，当时在课堂上放了一个全英的视频，没怎么看懂，现在在研究计算机系统，自底层说起，也得从这讲起。

主要参考：

1. 《嵌入式C语言自我素养》

2.   b站相关科普视频(文中给出链接)

00 从沙子到单晶硅

在所有的半导体材料中，目前只有硅在集成电路中大规模应用；在自然界中，Si是含量第二丰富的元素，如沙子中就含大量二氧化硅。

还记得高中化学必修一的内容吗？从沙子中提取高精度硅：

这时我们得到的是多晶硅，我们将多晶硅放入高温反应炉中融化，通过拉晶做出单晶硅棒（单晶硅棒可以做成不同的尺寸）。

接着，这些单晶硅棒就像切黄瓜一样，切成一片一片的，每一片就被称为晶圆（wafer）。晶圆就是设计集成电路的载体。晶圆表面需要特别平整光滑。

每一个晶圆上可以实现成千上万个芯片电路，每一个小格子都是一个芯片电路的物理实现，叫做晶粒(Die)。

接下来，我们还要对晶圆上的芯片电路进行切割、封装、引出管脚，然后就变成了市场上的芯片产品。焊接到开发版上，就是整机产品。

那么晶圆上是如何实现电子电路呢？

电路基本由二极管、三极管、CMOS管...等构成，这些元件依赖于PN结的实现。

01 PN结原理

关于半导体的专业知识有一本专门的《半导体物理》在讲，这里我只整理我觉得对计算机系统相关且易理解的部分来整理。

半导体的导电性介于导体和绝缘体之间，在不同的环境条件下，半导体可以实现在导通和不导通之间转换；

01-1 P/N型掺杂

硅就是一种半导体，其原子结构最外层是4个电子；当我们把一群硅放到一起，他们会以共价键的形式结合，此时每个硅原子外都有8个电子。这时导电性比较弱。

而如果我们用磷元素(P)代替其中的一个硅，可以料想我们会在共价键的基础上多出一个电子，而这个电子受到的束缚比较弱，比较容易移动。这样掺杂了P的硅(N型掺杂)导电性就会上升。

相对的，我们可以用B元素代替其中的一个Si，这样它与周围的Si只能形成3个共价键，其他位置的电子就可以移动到替换产生的空穴上；这样其他位置就产生了空穴，等效为正电空穴的移动（大家可以联想一下霍尔效应）；此时掺杂了B的硅(P型掺杂)导电性也上升了。

01-2 PN结

接下来我们进行熟悉的组合操作，我们将同一块硅晶体的相邻区域分别进行N型掺杂和P型掺杂。这就得到了一个PN结。

1. 因为N型掺杂区域的电子比较多，P型掺杂的区域空穴比较多，N区的电子就会扩散到P区与空穴结合。这时在两区域的交界处，因为N区域失去了电子，所以这一侧就会从中性变成显正电性。

2. 而P区域得到了电子就会显负电性；这时就会存在一个从正电性区域指向负电性区域的电场，这个电场会驱使电子移动，电子会被正极吸引。

3. 当1中的扩散作用和2中的电子受电场作用相等时，此时就平衡了。两侧电子就不再移动，流过PN结的电流==0。中间这块缺乏载流子(电子、空穴)、存在内电子的区域就叫做耗尽层。

   

   （上图中左N右P）

   这个PN结原理看起来很普通，但实际上由此结构它具有一个重要特性：单向导电性。

4. 下面我们就可以讨论这一特性在电路中的应用：

   1. 当P接正极，N接负极。

      此时就会削弱PN结的内建电场，当外加电场足以抵消向右的内建电场，平衡就会被打破，电子就会跨过耗尽层不断流动。此时电路导通。

   2. 反接。当P接负极，N接正极。

      此时外加电场和内建电场方向相同，增强了向右的电场，这会把所有的电子向左边赶，这时耗尽层就会被加宽，电子几乎无法跨过这个电场形成回路（如果形成那就是被击穿了）。此时电路不导通/高阻性。

   3. 总结。电流可以从P流向N，不能从N流向P。

01-3 从PN结到MOSFET

首先，MOSFET全称：金属-氧化层半导体场效晶体管。

在理解PN结的基础上，我们设想：

在一块纯硅中，两个肩膀的区域进行N型掺杂，往其他区域进行P型掺杂，考虑到上面的耗尽层，就会是这种状况。

接着，在两个N区域接正负极。

可见，正这接的时候，负极是P往N可以导通，但正极是N到P不导通。

如果我们想要这个回路导通怎么办？

我们考虑一个模型：两个金属板，中间是绝缘层，当接上正负极时，正极板带正电，负极板上聚集电子，中间的绝缘层中存在自上向下的电场。

如果我们把这个结构装到前面的那个图里：上面是正极的金属板，中间是绝缘层，下面用P当作负极金属板。

这时候再通电，中间的P区域就会有大量的电子被吸引。这个过程填充了部分空穴，但还会多出一些电子，产生对后来电子的斥力，静电作用与电场平衡后，可想而知会产生新的耗尽层。

这时，P型在耗尽层上方的区域，其实与左右的N区一模一样。此时最开始的不导通电路就导通了。这个区域就被称为N沟道。

这意味着什么呢？这意味着我们得到了一个可以用电压控制的电路通断开关。当給中间的电极施加正向电压至超过阀值，整个电路就可以导通。

在数字逻辑课程中，我们叫中间的电极为栅极Gate，左侧为源极Source，右侧为漏极Drain

 

 

联系课本：

1. 高于阈值电压 导通 ，低于阈值电压 不能导通 的MOSFET，称为 NMOS；

2. 如果将上面的NP反过来，同时把Gate极的正负极调换方向，给G极施加反向电压，则：

   1. 高于阈值电压 不导通；

   2. 低于阈值电压 导通。

   这就是 PMOS。

它们的记号是这样子的。

 

 

如果把NMOS和PMOS的漏极D连接起来，就得到了一个CMOS。

接下来就可以连接到数字逻辑课程：

如果我们的两个Gate连接起来作为输入端A，两个已连接的漏极D作为输出端B，PMOS的Source级接入VDD，NMOS的Source级接入VSS，就得到了一个 非门。

在此之后我们就超脱了半导体物理层，抽象出了完整的数字逻辑层次的知识了。

02 半导体工艺

上一部分主要是从半导体物理层讲到与数字逻辑层次的接口，而数字逻辑层是设计芯片的part之一。

下面我们再来看一看我们是如何在一个晶圆上实现逻辑电路的。

实现电路会包含半导体工艺的各个方面：氧化、光刻、显影、刻蚀、扩散、离子注入、薄膜沉淀、金属化等等。

在这里我主要了解一下离子注入和光刻这两个部分。简单来说：

1. 离子注入就是前面反复提到的掺杂，产生PN结。

2. 光刻(用光雕刻)，则是给离子注入开凿各种所需的窗口。

02-1 简谈光刻

从它的功能简要就可以看出，这一步骤需要依据电路图实现对应窗口的开凿。

在了解过程之前，我们需要先对几个物件有个直观的认识：

1. 光刻机：

   就像一台纳米级的打印机，发光将光掩膜上的图形投射到硅片上。

2. 光刻胶：

   分正胶和负胶；

   正胶是一种见光死的材料，只要被特定波长光照射，就会疲软，进而被溶解清除。负胶则相反。

   利用这种特殊的光敏性，就能用光雕刻芯片。

3. 掩膜版/光掩膜：

   芯片的蓝图，我们可以将芯片的电路版图保存在掩膜版上。是一张玻璃遮光版。

那这些东西是如何工作的呢？

对于一个芯片，我们在黑暗中给硅片涂一层光刻胶，然后照上光掩膜进行曝光(光刻机紫外线)，光掩膜上电路部分的胶体就会疲软，随后就能被溶剂洗掉。留下的光刻胶就成为保护膜。接下来用能腐蚀硅的溶剂(高中化学老师说的氢氟酸)，把没有光刻胶保护的电路拟建区域，腐蚀掉一层。最后把光刻胶保护膜也清除。这样就完成了同时性的雕刻工作(刻蚀)。

另一种方式是做加法（化学气相沉积法）。

与离子注入结合来看。减法为例，我们将需要注入的部分刻蚀掉，而保留不需要注入的部分。

总结过程：涂胶、曝光、冲洗。

详细过程可以深入了解3:55

02-2 光刻（机）为什么重要

在前面的部分可以看出，光刻是对硅片的雕刻，是后续步骤的根基，在工序中占时长的1/2，1/3的成本。

而对于光刻机，对于集成电路规模越来越大、尺寸越来越小(7nm、5nm)，这要求对电路图形的分辨率要特别高，即对光刻机的要求越来越高，高端光刻机因此昂贵。此前闻名媒体的荷兰巨头ASML的光刻机，零售价1亿欧元。

03 芯片的封装与测试简要

2022-03-06，补一张图，是芯片制造的宏观一些的过程，上面提到的实现电路在下图中的第一行右侧的省略掉的生产步骤。

芯片电路要想焊接到电路板上，还需要切割、封装、引出管脚、芯片测试等流程。再经过包装，才是我们见到的样子。

封装主要就是给芯片套上外壳，引出管脚，方便焊接到板子上，常见的封装形式有：DIP、QFP、BGA、SCP、MCM、PoP(新兴智能)。

测试主要包括：芯片功能测试、性能测试、可靠性测试。

2022-0306继续补充，通过各种手段的测试（比如切片，将晶圆切成芯片），可以淘汰掉有瑕疵的芯片（瑕疵意味着对周围电路功能的损坏），我们用成品率来衡量上面过程，即合格芯片占总芯片的比值。下面是三个公式：

1. 每芯片的价格 = 每晶圆的价格 / （每晶圆的芯片数×成品率）
2. 每晶圆的芯片数 ≈ 晶圆面积 / 芯片面积
3. 成品率 = 1 / 1 + （单位面积的瑕疵数 × 芯片面积/2）²  --经验公式