芯片的组成与运作

我们常常听说，国内各大科技巨头说要做自己的芯片。在许多人眼里芯片是一块小小的方片，但这块方片几乎无所不能，那现实的芯片到底是什么呢？

其实，芯片是半导体元件产品的统称。什么你不知道什么是半导体？那好好读我的文章啊！

也就是说要了解芯片，首先要了解：

• 电: 我默认我的读者都有初中物理水准，所以我不多做描述
• 半导体: 常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料
  • 晶体管: 种固体半导体器件
  • MOSFET: 半导体器件常用的设计方法
  • 逻辑门: 由晶体管组成, 通过电压以及电路转换为二进制 从而实现逻辑运算

半导体

半导体 Semiconductor, 正如我在开头所说，是一种常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。那么这种材料从何而来呢？

• 一般的，用于制作半导体的单质/化合物 其原子外层有自由价电子，这使得电子可以在物质中流动
  • 利用该性质，在这种元素组成的物质下掺入杂质或控制温度就可以改变该物质的导电性 使其成为绝缘体或导体
• 工业生产(fabrication)半导体需要先选取上述的物质，然后在其中掺入杂质(impurities)，通常这一类杂质分为两种
  • n-type: 掺入第15组的元素
    • 最外层有5个电子，例如 磷ph(phosphorus)，砷Ar(Arsenic)
  • p-type: 掺入第13组的元素
    • 最外层有3个电子，例如 硼Bo
• PN结 PN Junction: 将p-type和n-type的杂质同时掺入选中物质的两侧所形成的结(此时就可以称该物质为半导体)
  • 一般情况下，两种type会互相结合，形成平衡，形成耗尽层(deletion layer), 此时若产生电流其将会是扩散(diffusion)的。若耗尽层足够宽，还将会形成电场。而电场所影响的电流为漂移(drift)的
  • 若向p-type处施加电压，也称正向偏置(Forward bias)，此时更多电子会向n-type处奔去，这时耗尽层会缩小，而电流速度增快
  • 若向n-type处施加电压，也称反向偏置(Reverse bias)，此时更多电子会向p-type处奔去，这时耗尽层会扩大，而电流速度会变慢

晶体管

晶体管（transistor）是一种固体半导体器件（包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等，有时特指双极型器件），具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。 - 百度百科

晶管体有3种主流工艺，但我这里只讲(MOSFET)因为我只学过这一个 分别为

• Bipolar Juntion Transisotrs (BJTs)
• Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)
• Junction Field Effect Transistors (JFET)

MOSFET

MOSFET大概长相如下，这是是一种Pmos，如果将N和P调换则是Nmos

讲下部分part的用处

• Source & Drain: 通俗理解就是提供电压且使电流不经过这两处的作用
• P: 在source&drain施压时，会在P处产生一个反向偏置的pn结(反之亦然)
• N: 耗尽层会在N周围产生

nMOS在电路中的表达:

• 高压可以导通
• 低压不能导通

pMOS在电路中的表达:

• 低压可以导通
• 高压不能导通

逻辑门

将高压表达为1低压表达为0，我们就可以将连接多个MOS的电路做逻辑运算即为逻辑门

• 例如将一个输入同时连接两个MOS的Gate，将两个MOS的Drain接入输出，同时分别将高压的一段接给pMOS，低压的一段接给nMOS。这就形成了一个非门
  来自imgur的样图:
  
  此处vdd为高压，vss为低压，A为输入，Q为输出
• 当 A = 0时，因为低压可以导通pMOS所以上方vdd可以连接至Q, 而nMOS却不行，所以此处Q = 1
• 当 A = 1时，因为高压可以导通nMOS所以上方vdd可以连接至Q, 而pMOS却不行，所以此处Q = 0

同样的我们可以利用nmos和pmos做出多样化的逻辑语言，例如AND OR XOR XAND/NXOR NOR NAND，如果你对其不了解可以访问 逻辑语言入门
相应的其值化为二进制为：

• AND：

A	B	A AND B
1	1	1
1	0	0
0	1	0
0	0	0

• OR:

A	B	A OR B
1	1	1
1	0	1
0	1	1
0	0	0

• XOR:

A	B	A XOR B
1	1	0
1	0	1
0	1	1
0	0	0

• XAND/NXOR:

A	B	A XAND/NXOR B
1	1	1
1	0	0
0	1	0
0	0	1

• NOT:

A	NOT A
1	0
0	1