晶圆片|小小芯片,上千万个晶体管是怎么装上去怎么工作的?人类真牛啊
芯片确实是人类一个伟大的发明,只有用芯片才能把CPU的体积做得很小,海量的CPU集成在一起,才能够制造出超级并行计算机。
因为芯片的制造过程比较复杂,在阅读正文前,先用比喻把这个大概的原理告诉大家。
芯片的制造过程,就相当于用完全相同的材料,建设一个城市的过程。
比如我们要建造一个10平方公里的城市,那么在这10平方公里的土地上,浇筑一层10米厚的混凝土。然后在这个混凝土板上印上城市的地图,把街道部分留白。然后把盐酸倒到这块混凝土板上,留白的部分就被腐蚀出了街道,被油墨覆盖的部分就形成了建筑。然后把这些建筑物激活,城市就建成了。
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现在就让我们看一下,芯片到底是怎么制造的。
》芯片的技术实际上是由1个理论,2项技术作为铺垫的。
第1个技术就是晶体管的技术,第2个技术是光刻技术。
光刻的技术就是照相制版技术的进化。因为世界上第1个大规模生产芯片的工厂是美国的仙童公司,它的老板是卖照相器材的。
芯片上要使用相同的材料制造不同功能的电子元件,这就需要晶体管。
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晶体管又可以被称为固态的二极管或者是三极管。固态的意思就是说它里面没有空间,在材料上是密实的。
最开始发明的二极管和三极管都是像一个灯泡那样的,是空心的。
因为它需要实现单向导电的功能,真空二极管里面有电加热丝,加热阴极以后,在电场的作用下,向阳极发射电子才能够实现导电。
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真空二极管的材料来说就有玻璃、电热丝,阴极和阳极靶板,而且还要抽真空。但是晶体管实现同样的功能只有两种材料,一种是P型材料,一种是N型材料,两个叠加在一起就可以单向导电。
科学家发现用这种方式可以实现二极管功能,是因为有一个量子力学的理论:能量和能量空穴的理论,这个理论又被称为迪拉克海理论。
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这个理论可以用来解释物体的导电性,所以才会区分出绝缘体、半导体和导体。
而且,P材料和N材料,也可以用同一种材料来做,这种材料就是硅。
纯净的硅是不导电的,如果在纯净的硅里面掺入不同的杂质,就会制造出P材料和N材料。
这就是集成电路能够实现的物理基础:硅经过适当的加工,可以制造出任何电子元件。
芯片从原料开始,一直到制造出成品的过程,可以分成4步。
》第1步,制备高纯度的单晶硅片。
把二氧化硅(沙子、水晶)加热融化和焦炭混合在一起,这个时候碳就会和二氧化硅中的氧结合变成二氧化碳,二氧化碳是气体,就挥发了,剩下来的就是粗硅。
然后用化学方法把粗硅进行提纯,就得到了高纯度的多晶硅。
把多晶硅加热融化,用一个棒子慢慢的把它拉出来,就成了一个晶圆棒。
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晶圆棒制备好了以后,用机器切成薄片,然后再抛光过,就形成了制造芯片的最重要材料,晶圆片。
因为芯片是方的,所以晶圆片的直径越大,边边角角的利用率越高。
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