|
|
EDA365欢迎您登录！
您需要 登录 才可以下载或查看，没有帐号？注册
x
在我们阐明半导体芯片之前，我们先应该了解两点。其一半导体是什么，其二芯片是什么。. J: x, o1 |, C! p7 Z# b8 B
8 b5 Q1 b% x& q# Y: v% q9 ] 半导体7 Z: r! h, N' s1 }" Q
$ f) f- {5 p* }. l; Q 半导体（ semiconductor），指常温下导电性能介于绝缘体（insulator）与导体（conductor）之间的材料。人们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是 晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体才得到工业界的重视。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅则是各种半导体材料中，在商业应用上 有影响力的一种。7 X" a; Z0 l1 I* ~4 y
" K, w; x& Y3 B
芯片$ O! u$ F& o ], t$ {
3 U0 V/ N3 k* U3 F3 r, Y 芯片（chip），又称微芯片（microchip）、集成电路（integrated circuit， IC）。是指内含集成电路的硅片，体积很小。一般而言，芯片（IC）泛指所有的半导体元器件，是在硅板上集合多种电子元器件实现某种特定功能的电路模块。它是电子设备中 重要的部分，承担着运算和存储的功能。广泛应用于军工、民用等几乎所有的电子设备。
7 |# W8 Q) ?8 u
8 ~9 g. |5 Q; \5 J& b* B 讲到这里你大概对于半导体和芯片有个简单了解了，接下来我们来聊聊半导体芯片。/ K5 Y+ u6 ?5 l8 o
' y8 C- i6 ^8 X' s! X 半导体芯片是什么？+ I$ g- E: Y; [% X( ^% ?
. |6 c5 N3 T( q6 x8 B: ^ 一般情况下，半导体、集成电路、芯片这三个东东是可以划等号的，因为讲的其实是同一个事情。
; Y- b- p0 _5 k. h- U" f5 t
' r: f8 |- m3 M, K' E1 l$ Z 半导体是一种材料，分为表格中四类，由于集成电路的占比非常高，超过80％，行业习惯把半导体行业称为集成电路行业。8 n! Q* ^- D: s1 N, g
7 x" a$ _' [; V( r
而芯片就是集成电路的载体，广义上我们就将芯片等同于了集成电路。0 M- n& c+ ^+ s% [# p
: X" I! h0 E+ x7 s3 O1 \0 {. O0 g8 F
所以对于小白来说，只需要记住，当芯片、集成电路、半导体出现的时候，别慌，是同一码事儿。
/ R* x3 r8 J' y8 P: c! `5 A0 e
# R* @ W7 S! g1 H7 I 半导体芯片内部结构# _% s- H, s/ b6 t0 k+ a
6 X4 G8 X4 s5 ~) ^# t5 ? 半导体芯片虽然个头很小。但是内部结构非常复杂，尤其是其 的微型单元——成千上万个晶体管。我们就来为大家详解一下半导体芯片集成电路的内部结构。一般的，我们用从大到小的结构层级来认识集成电路，这样会更好理解。
4 B% H& t+ ]. m9 A
5 Y6 d" y0 {7 \" r% |5 z （1）系统级$ o' ~0 C9 I4 p8 s8 j
* v- \( s" v/ B5 J2 @- {
我们还是以手机为例，整个手机是一个复杂的电路系统，它可以玩游戏、可以打电话、可以听音乐、可以哔－－。它的内部结构是由多个半导体芯片以及电阻、电感、电容相互连接组成的，称为系统级。（当然，随着技术的发展，将一整个系统做在一个芯片上的技术也已经出现多年——SoC技术）
* M4 a9 y/ m* O2 H! \2 y" B9 O7 c6 |1 {% `- g
（2）模块级
0 o& R5 I: A; a' G. }9 W) v: e# }' T3 s5 R9 v% W
在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源，有的负责通信，有的负责显示，有的负责发声，有的负责统领全局的计算，等等。我们称为模块级。这里面每一个模块都是一个宏大的领域，都聚集着无数人类智慧的结晶，也养活了很多公司。8 p7 ~2 ?- B7 _4 S5 @5 @! R
5 ?+ [, R/ Y* k
（3）寄存器传输级（RTL）
: Q3 ^: {: f' o/ l( L/ K& S+ y2 o% v/ C
那么每个模块都是由什么组成的呢？以占整个系统较大比例的数字电路模块（它专门负责进行逻辑运算，处理的电信号都是离散的0和1）为例。它是由寄存器和组合逻辑电路组成的。
2 Z8 h, D2 O0 _- d3 q: j9 t8 l( O* Q# A$ ]1 D
寄存器是一个能够暂时存储逻辑值的电路结构，它需要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。
1 ^, W1 d$ R s' [6 ]' X( B5 w; Y3 L |. F$ U8 C" N/ I
实际应用中，我们需要时钟来衡量时间长短，电路中也需要时钟信号来统筹安排。时钟信号是一个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动一下是我们的一个基本时间尺度，电路中矩形波震荡一个周期是它们世界的一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作，履行义务。2 [) g6 I9 a, y6 b
1 l6 @% R/ Z6 j 什么是组合逻辑呢，就是由很多“与（AND）、或（OR）、非（NOT）”逻辑门构成的组合。比如两个串联的灯泡，各带一个开关，只有两个开关都打开，灯才会亮，这叫做与逻辑。
* M, ]( Y% C; ^2 l+ K, e/ O8 S- `+ }
一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。
5 K0 z; U5 j* J
) M1 A: N ]4 z6 P# d- M （4）门级; F% L: n, e& a% r+ b) d( n- [
4 k: S; T1 ^5 v4 \: _& R E$ t 寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的，把它再细分为与、或、非逻辑，便到达了门级（它们就像一扇扇门一样，阻挡／允许电信号的进出，因而得名）。
9 @- b0 z9 G$ ?" N
& v) A6 L( |$ ~% y （5）晶体管级
# C7 r4 I. O' ^+ p3 J9 i2 J# w- `+ {- M, w: B7 R1 `
无论是数字电路还是模拟电路，到 层都是晶体管级了。所有的逻辑门（与、或、非、与非、或非、异或、同或等等）都是由一个个晶体管构成的。因此集成电路从宏观到微观，达到 层，满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。5 t2 n/ l; i+ S* F( @. i
! |4 W1 E+ G% q7 v 双极性晶体管（BJT）在早期的时候用的比较多，俗称三极管。它连上电阻、电源、电容，本身就具有放大信号的作用。像堆积木一样，可以用它构成各种各样的电路，比如开关、电压／电流源电路、上面提到的逻辑门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的电路我们称为TTL（Transistor－TransistorLogic）电路。BJT的电路符号长这个样子：
: v" K7 |* P. z! z0 H- D j, i* f. b' V
但是后来金属－氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的出现，以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。除了模拟电路中BJT还有身影外，基本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。同样的，由它也可以搭起来成千上万种电路。而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本电路元件。MOSFET的电路符号如下：
) r+ }5 l& x3 y: Q- C
Q4 x y- F4 u! y' P, B 综上所述，在实际工业生产中，芯片的制造，实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。只不过现实中制造芯片的层级顺序正好反过来了，是从 层的晶体管开始一层层向上搭建。; n: l8 Y1 P* Z
3 N6 q! s4 T6 @, H! _
也就是说，按照“晶体管－》芯片－》电路板”的顺序，我们 终可以得到电子产品的 部件——电路板。8 i2 a5 J7 G6 z7 f8 Q+ T7 f
8 J* Z, e; X0 `" v1 ], g3 k- T
|
|
/1 
发表于 2021-5-12 10:58
收藏
淘帖
支持！
反对！