計算機系統2->從芯片說起 | 芯片怎樣誕生

這部分數字邏輯課上老師在講CMOS部分時有講過，當時在課堂上放了一個全英的視頻，沒怎么看懂，現在在研究計算機系統，自底層說起，也得從這講起。

主要參考：

1. 《嵌入式C語言自我素養》

2.   b站相關科普視頻(文中給出鏈接)

00 從沙子到單晶硅

在所有的半導體材料中，目前只有硅在集成電路中大規模應用；在自然界中，Si是含量第二豐富的元素，如沙子中就含大量二氧化硅。

還記得高中化學必修一的內容嗎？從沙子中提取高精度硅：

這時我們得到的是多晶硅，我們將多晶硅放入高溫反應爐中融化，通過拉晶做出單晶硅棒（單晶硅棒可以做成不同的尺寸）。

接着，這些單晶硅棒就像切黃瓜一樣，切成一片一片的，每一片就被稱為晶圓（wafer）。晶圓就是設計集成電路的載體。晶圓表面需要特別平整光滑。

每一個晶圓上可以實現成千上萬個芯片電路，每一個小格子都是一個芯片電路的物理實現，叫做晶粒(Die)。

接下來，我們還要對晶圓上的芯片電路進行切割、封裝、引出管腳，然后就變成了市場上的芯片產品。焊接到開發版上，就是整機產品。

那么晶圓上是如何實現電子電路呢？

電路基本由二極管、三極管、CMOS管...等構成，這些元件依賴於PN結的實現。

01 PN結原理

關於半導體的專業知識有一本專門的《半導體物理》在講，這里我只整理我覺得對計算機系統相關且易理解的部分來整理。

半導體的導電性介於導體和絕緣體之間，在不同的環境條件下，半導體可以實現在導通和不導通之間轉換；

01-1 P/N型摻雜

硅就是一種半導體，其原子結構最外層是4個電子；當我們把一群硅放到一起，他們會以共價鍵的形式結合，此時每個硅原子外都有8個電子。這時導電性比較弱。

而如果我們用磷元素(P)代替其中的一個硅，可以料想我們會在共價鍵的基礎上多出一個電子，而這個電子受到的束縛比較弱，比較容易移動。這樣摻雜了P的硅(N型摻雜)導電性就會上升。

相對的，我們可以用B元素代替其中的一個Si，這樣它與周圍的Si只能形成3個共價鍵，其他位置的電子就可以移動到替換產生的空穴上；這樣其他位置就產生了空穴，等效為正電空穴的移動（大家可以聯想一下霍爾效應）；此時摻雜了B的硅(P型摻雜)導電性也上升了。

01-2 PN結

接下來我們進行熟悉的組合操作，我們將同一塊硅晶體的相鄰區域分別進行N型摻雜和P型摻雜。這就得到了一個PN結。

1. 因為N型摻雜區域的電子比較多，P型摻雜的區域空穴比較多，N區的電子就會擴散到P區與空穴結合。這時在兩區域的交界處，因為N區域失去了電子，所以這一側就會從中性變成顯正電性。

2. 而P區域得到了電子就會顯負電性；這時就會存在一個從正電性區域指向負電性區域的電場，這個電場會驅使電子移動，電子會被正極吸引。

3. 當1中的擴散作用和2中的電子受電場作用相等時，此時就平衡了。兩側電子就不再移動，流過PN結的電流==0。中間這塊缺乏載流子(電子、空穴)、存在內電子的區域就叫做耗盡層。

   

   （上圖中左N右P）

   這個PN結原理看起來很普通，但實際上由此結構它具有一個重要特性：單向導電性。

4. 下面我們就可以討論這一特性在電路中的應用：

   1. 當P接正極，N接負極。

      此時就會削弱PN結的內建電場，當外加電場足以抵消向右的內建電場，平衡就會被打破，電子就會跨過耗盡層不斷流動。此時電路導通。

   2. 反接。當P接負極，N接正極。

      此時外加電場和內建電場方向相同，增強了向右的電場，這會把所有的電子向左邊趕，這時耗盡層就會被加寬，電子幾乎無法跨過這個電場形成回路（如果形成那就是被擊穿了）。此時電路不導通/高阻性。

   3. 總結。電流可以從P流向N，不能從N流向P。

01-3 從PN結到MOSFET

首先，MOSFET全稱：金屬-氧化層半導體場效晶體管。

在理解PN結的基礎上，我們設想：

在一塊純硅中，兩個肩膀的區域進行N型摻雜，往其他區域進行P型摻雜，考慮到上面的耗盡層，就會是這種狀況。

接着，在兩個N區域接正負極。

可見，正這接的時候，負極是P往N可以導通，但正極是N到P不導通。

如果我們想要這個回路導通怎么辦？

我們考慮一個模型：兩個金屬板，中間是絕緣層，當接上正負極時，正極板帶正電，負極板上聚集電子，中間的絕緣層中存在自上向下的電場。

如果我們把這個結構裝到前面的那個圖里：上面是正極的金屬板，中間是絕緣層，下面用P當作負極金屬板。

這時候再通電，中間的P區域就會有大量的電子被吸引。這個過程填充了部分空穴，但還會多出一些電子，產生對后來電子的斥力，靜電作用與電場平衡后，可想而知會產生新的耗盡層。

這時，P型在耗盡層上方的區域，其實與左右的N區一模一樣。此時最開始的不導通電路就導通了。這個區域就被稱為N溝道。

這意味着什么呢？這意味着我們得到了一個可以用電壓控制的電路通斷開關。當給中間的電極施加正向電壓至超過閥值，整個電路就可以導通。

在數字邏輯課程中，我們叫中間的電極為柵極Gate，左側為源極Source，右側為漏極Drain

 

 

聯系課本：

1. 高於閾值電壓 導通 ，低於閾值電壓 不能導通 的MOSFET，稱為 NMOS；

2. 如果將上面的NP反過來，同時把Gate極的正負極調換方向，給G極施加反向電壓，則：

   1. 高於閾值電壓 不導通；

   2. 低於閾值電壓 導通。

   這就是 PMOS。

它們的記號是這樣子的。

 

 

如果把NMOS和PMOS的漏極D連接起來，就得到了一個CMOS。

接下來就可以連接到數字邏輯課程：

如果我們的兩個Gate連接起來作為輸入端A，兩個已連接的漏極D作為輸出端B，PMOS的Source級接入VDD，NMOS的Source級接入VSS，就得到了一個 非門。

在此之后我們就超脫了半導體物理層，抽象出了完整的數字邏輯層次的知識了。

02 半導體工藝

上一部分主要是從半導體物理層講到與數字邏輯層次的接口，而數字邏輯層是設計芯片的part之一。

下面我們再來看一看我們是如何在一個晶圓上實現邏輯電路的。

實現電路會包含半導體工藝的各個方面：氧化、光刻、顯影、刻蝕、擴散、離子注入、薄膜沉淀、金屬化等等。

在這里我主要了解一下離子注入和光刻這兩個部分。簡單來說：

1. 離子注入就是前面反復提到的摻雜，產生PN結。

2. 光刻(用光雕刻)，則是給離子注入開鑿各種所需的窗口。

02-1 簡談光刻

從它的功能簡要就可以看出，這一步驟需要依據電路圖實現對應窗口的開鑿。

在了解過程之前，我們需要先對幾個物件有個直觀的認識：

1. 光刻機：

   就像一台納米級的打印機，發光將光掩膜上的圖形投射到硅片上。

2. 光刻膠：

   分正膠和負膠；

   正膠是一種見光死的材料，只要被特定波長光照射，就會疲軟，進而被溶解清除。負膠則相反。

   利用這種特殊的光敏性，就能用光雕刻芯片。

3. 掩膜版/光掩膜：

   芯片的藍圖，我們可以將芯片的電路版圖保存在掩膜版上。是一張玻璃遮光版。

那這些東西是如何工作的呢？

對於一個芯片，我們在黑暗中給硅片塗一層光刻膠，然后照上光掩膜進行曝光(光刻機紫外線)，光掩膜上電路部分的膠體就會疲軟，隨后就能被溶劑洗掉。留下的光刻膠就成為保護膜。接下來用能腐蝕硅的溶劑(高中化學老師說的氫氟酸)，把沒有光刻膠保護的電路擬建區域，腐蝕掉一層。最后把光刻膠保護膜也清除。這樣就完成了同時性的雕刻工作(刻蝕)。

另一種方式是做加法（化學氣相沉積法）。

與離子注入結合來看。減法為例，我們將需要注入的部分刻蝕掉，而保留不需要注入的部分。

總結過程：塗膠、曝光、沖洗。

詳細過程可以深入了解3:55

02-2 光刻（機）為什么重要

在前面的部分可以看出，光刻是對硅片的雕刻，是后續步驟的根基，在工序中占時長的1/2，1/3的成本。

而對於光刻機，對於集成電路規模越來越大、尺寸越來越小(7nm、5nm)，這要求對電路圖形的分辨率要特別高，即對光刻機的要求越來越高，高端光刻機因此昂貴。此前聞名媒體的荷蘭巨頭ASML的光刻機，零售價1億歐元。

03 芯片的封裝與測試簡要

2022-03-06，補一張圖，是芯片制造的宏觀一些的過程，上面提到的實現電路在下圖中的第一行右側的省略掉的生產步驟。

芯片電路要想焊接到電路板上，還需要切割、封裝、引出管腳、芯片測試等流程。再經過包裝，才是我們見到的樣子。

封裝主要就是給芯片套上外殼，引出管腳，方便焊接到板子上，常見的封裝形式有：DIP、QFP、BGA、SCP、MCM、PoP(新興智能)。

測試主要包括：芯片功能測試、性能測試、可靠性測試。

2022-0306繼續補充，通過各種手段的測試（比如切片，將晶圓切成芯片），可以淘汰掉有瑕疵的芯片（瑕疵意味着對周圍電路功能的損壞），我們用成品率來衡量上面過程，即合格芯片占總芯片的比值。下面是三個公式：

1. 每芯片的價格 = 每晶圓的價格 / （每晶圓的芯片數×成品率）
2. 每晶圓的芯片數 ≈ 晶圓面積 / 芯片面積
3. 成品率 = 1 / 1 + （單位面積的瑕疵數 × 芯片面積/2）²  --經驗公式