芯片科普知识
炎小耶
2021年08月21日 21:49

        首先,我们就先来了解一下,芯片的定义。

        什么是芯片呢?芯片是由什么构成的呢?我们通过一个公式来了解一下。简单来说,芯片由两部分构成,第一部分是集成电路,第二部分是半导体晶圆。半导体晶圆,它是集成电路的载体,而集成电路负责实现电路的各项功能。

        那半导体晶圆是怎么做的呢?

        其实它的原料,在自然界中很常见,随手捧起一把沙子,沙子中含量很高的二氧化硅,就是芯片的原料。沙子与焦炭在高温下发生氧化还原反应,生成硅和一氧化碳,但要注意的是,这里生成的硅是含有很多杂质的粗硅,需要进行提纯。

       粗硅与氯气在加热条件下生成四氯化硅,四氯化硅与氢气在高温下反应重新生成硅和氯化氢,多次提纯后,得到纯度99.9999%的单晶硅,再拉成硅柱,切成一张一张的硅片。那么这个硅片就是我们说的半导体晶圆。

       接下来,是集成电路。

       我们知道,电路是由一个一个的器件构成的,我们先来了解一下器件,首先是无源器件,有电阻、电容、电感等。有源器件,最基本的就是晶体管,包括MOS管、三极管等。这些基本的器件构成了电路。

        电路又分为分立器件电路集成电路。一般来说,我们平常从器材室拿到的器件,自己做成的电路板,都是分立器件电路。集成电路,是通过光刻和刻蚀的步骤将设计好的电路“印刷”到晶圆上。

        所以简单来说,集成电路,就是采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起,将大型电路微型化。

        芯片就是将集成电路制作在一小块或几小块半导体晶片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构。


       芯片的发展历史

       简单来说,可以分成三个步骤,从发现半导体材料发明晶体管再是集成电路的发明

       1787年,拉瓦锡首次发现存在于岩石中。

       1811年盖-吕萨克和泰纳尔加热钾和四氟化硅得到了不纯的无定形硅

       1824年,贝采利乌斯通过加热氟硅酸钾和钾得到了相对纯净的硅粉末

       1854年德维尔第一次制得晶态硅

       半导体是导电性介于导体和绝缘体中间的一类物质。1833年,英国的巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,这是半导体的第一个特征。1839年,法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应,这是半导体的第二个特征。1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体第三个特有的性质。1874年,德国的布劳恩发现了半导体的整流效应

        从20世纪50年代起,硅替代锗成为了主要的半导体材料。

        1947年12月,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组,研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”,它的出现为集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础,标志着现代半导体产业的诞生信息时代的正式开启。

       1958-1959年,来自仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯发明了硅集成电路,来自德州仪器的杰克·基尔比发明了锗集成电路。20世纪50年代末发展起来的小规模集成电路,集成度(一个芯片包含的元件数)为10个元件;20世纪60年代发展成中规模集成电路,集成度为1000个元件;20世纪70年代又发展成大规模集成电路,集成度达到10万个元件;20世纪80年代更发展了特大规模集成电路,集成度超过100万个元件。


        那制作芯片完整的流程是怎么样的呢?

        沙子经过工业制硅的方法,将其拉成硅柱,切成一张一张的硅片。在硅片上,先涂上一层光刻胶,通过光刻机,采用一定的工艺,将设计好的电路打印到硅片上。再采用一定的技术,进行刻蚀,将我们想要的那部分保留。最后将硅片上的所有芯片切割分开,经过不断的测试后进行封装,这样,一颗芯片就完成了。


        我们再来讲解一下芯片的用处

第一类,计算芯片(大脑)︰如英特尔i5、i7的CPU,3080 的显卡(GPU)等都用作计算分析的功能,和人体大脑类似。

第二类,存储芯片(脑皮)︰像DRAM(动态随机存取存储器),ROM(只读存储器)等,主要是用于数据存储。

第三类,感知芯片(五官):手机的屏下指纹,麦克风,摄像头等,用于感知外部世界。

第四类,通信芯片(手脚)︰蓝牙、wifi,5G的射频芯片,用于信号、数据的接收和发送。

第五类,能源芯片(心脏)︰DC-DC芯片,DC-AC芯片,LDO(低压差线性稳压器)等,用于能源供给。


       最后,我们讲一下国家大力发展芯片的意义。

第一,我们已经进入了信息时代,芯片已经融入了我们的生活,成为生活中的必需品,像我们平常使用的手机、电脑、智能电视等,都离不开芯片的制造与发展。

第二,大力发展芯片,要求我们国家自己掌握核心技术,不再受制于人,华为被美国制裁的事实让我们清楚地意识到,国产芯片的技术还不够硬,还有很长的路要走。

第三,从经济角度上来说,发展国产芯片,能够降低芯片研发、制造的成本,提升国产化市场占有率。

第四,从国际关系的角度上说,发展芯片能够增强综合国力,提升国际地位和国际话语权。