从沙子到芯片（转）

什么是芯片？芯片几乎存在于我们每天的生活，从手机到电脑到汽车到飞机。

所有的故事要从Willian shockly 开始，在1948年，William shockly 和 John Bardeen 和Walter Brattain 在贝尔实验室发明了晶体管（晶体管的英文是transistor）晶体管是芯片的基本组成器件。他们三位也是1956年的诺贝尔物理奖的得主。图片中坐着的那位就是William Shockly .早期的晶体管就是图片所示。距离今天的高集成度芯片还有一定的距离。

为了让这种晶体管商业化，硅谷也就诞生了。芯片的主要材料是硅，从沙子中提纯出来的。硅的英文是silicon ，所以他们将那里命名为Silicon Valley.

在1960年Gordon Moore, C. Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce, Victor Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni and Jay Last联合创办了Fairchild公司，大家耳熟能详的Intel,AMD,Texas Instruments(National Semiconductor)也都是跟这个公司有着千丝万缕的关系。

现在的晶体管是这样的。大家肯定在想硅做为一种非常中性的物质，是如何传递电信号的呢？

常见的芯片的主要组成是硅，硅在周期表上是四价元素，其实是并没有多余的电子可以导电的。但是人们运用掺杂的办法（英文叫做doping）运用五价元素和三价元素加在硅片里。五价元素是多一个电子的，三价元素是少一个电子的。在微观的世界里，当这种掺五价元素的硅和掺三价元素的硅放在一起，电子和空穴（我们把电子移动以后留下的位置称为空穴，但是把它当作和电子类似实际存在的物质）会自主的移动的。在加上电源以后，会出现如下图的电子和空穴移动。

这是现在的芯片的晶体管的样子。叫做MOSFET（M:metal O:oxide S:semiconductor）.P代表掺杂三价元素的硅，N代表掺杂五价元素的硅，在P上面的那层是硅的氧化物，在硅的氧化物上面是一层金属。 S,G,D分别代表源级（source），栅极(gate),漏级（drain）.当在这三级加上相应的电压以后，在硅的氧化物的下面会出现一个电子的通道将两端掺N的硅连起来，这样晶体管也就开始导电了。图示是NMOS.PMOS则是将图中的P换成N,N换成P。PMOS,NMOS就是现在集成芯片的主要组成了。至于每次大家总会用几纳米来形容集成电路的工艺指的就是源极和漏级的距离，如图所示。相当于电子需要走多久到达另一端。现在最先进的工艺是7nm。1mm=1000um=1000000nm.可见这并不是人手工就能做出来的器件。

芯片设计师运用软件去设计芯片并且仿真.根据每一种工艺，要用软件里的尺子确保不同的材料之间应该有相应的距离。左边的图我们叫做schematic，运用如图所示的符号来代表PMOS和NMOS.右边的图叫做layout,代表了在实际加工中芯片的样子。不同的颜色是指的不同的材料。

以下是一个32位的加法器的schematic和layout.在现代的超大规模集成芯片里，一块小小的芯片可能有数亿的晶体管。

那么芯片又是如何从沙子变到芯片的呢？沙子的主要成分是二氧化硅，通过在超高温条件下提纯，会得到Ingots.将Ingots分割成大概只有20-30mm厚的晶圆（wafer）.

通过运用不同的模具和光刻技术（目前最先进的光刻机主要是由荷兰的ASML提供），就能够将芯片制造出来。晶圆的大小不同，上面可以容纳的芯片的数量也不同。之后将晶圆上的芯片分割开来，进行测试。但是大家通常见到的都是经过封装以后的芯片，就是一个可能拇指大小的封装盒。封装盒里面其实有金属线是直接连到芯片对应的引脚的，封装盒的引脚实际上是连接着芯片的每个输入输出端。通过封装测试可得知芯片的功能是否完备。然后将封装盒的引脚放入到对应的开发板上，人们就可以从外部来控制芯片了。