集成电路将一定数量的晶体管按照特定规则集中放置在一块特定的电路板上ღ★ღღ，最早的集成电路拥有的晶体管数量通常还不到100个ღ★ღღ。

　　5.由于半导体材料的应用ღ★ღღ，集成电路实现了电信号转变为计算机或终端设备能够理解的数据信号广东公式网ღ★ღღ，从而使设备做出各种反应ღ★ღღ。

　　如同古今中外所有的产业一样ღ★ღღ，集成电路产业链虽然极其复杂ღ★ღღ，却也可以分为设计ღ★ღღ、制造ღ★ღღ、封测三个环节ღ★ღღ。

　　文章有何论点ღ★ღღ、如何论证ღ★ღღ，逻辑是否合理ღ★ღღ，衔接是否得当ღ★ღღ，等等ღ★ღღ。如果没有构思ღ★ღღ，直接下笔ღ★ღღ，往往就会主次不分ღ★ღღ，论证不明ღ★ღღ，逻辑不清ღ★ღღ，衔接不当ღ★ღღ。

　　创作完成后ღ★ღღ，作品还要经过大家检验（封测）ღ★ღღ。我的作品如果能为大家带来好的体验或者实际帮助ღ★ღღ，那就可以算作一篇合格作品ღ★ღღ；如果不能帮到大家ღ★ღღ，大家就应毫不留情地对我展开批判ღ★ღღ。

　　集成电路ღ★ღღ，是由芯片ღ★ღღ、晶体管ღ★ღღ、电阻和电容器等多个相互连接的电子元件组成的电子设备ღ★ღღ。这些电子元件被安装在半导体材料上ღ★ღღ。

　　所以ღ★ღღ，如果严格地说ღ★ღღ，集成电路并不完全等于芯片ღ★ღღ。从狭义讲ღ★ღღ，芯片也是一种集成电路ღ★ღღ；从广义讲ღ★ღღ，集成电路所指的范围要比芯片更大ღ★ღღ。

　　半导体材料ღ★ღღ，是制造集成电路的关键材料ღ★ღღ，但是集成电路不仅仅需要半导体材料ღ★ღღ，还需要许多其它材料ღ★ღღ。同时ღ★ღღ，半导体材料也不仅仅能用来制造集成电路广东公式网ღ★ღღ，它还能制造其它产品ღ★ღღ。所以ღ★ღღ，两者是包含关系ღ★ღღ。

　　因为本文重点介绍芯片原理及其制造ღ★ღღ，所以在下文中ღ★ღღ，我们只从狭义角度理解芯片和集成电路的关系就好ღ★ღღ，即ღ★ღღ，集成电路就是芯片ღ★ღღ。

　　下图是Intel Xeon 3060中央处理器的内部完整图片及局部放大图片（绿色方框内）ღ★ღღ。Xeon 3060内部的晶体管数量为2.91亿个ღ★ღღ，上面A16的晶体管数量是它的55倍ღ★ღღ。大家可以感受一下ღ★ღღ。

　　集成电路的工作原理ღ★ღღ，简单来说ღ★ღღ，是利用半导体材料的特性ღ★ღღ，将电信号转变为计算机或终端设备能够理解的数据信号（比如二进制数据信号）ღ★ღღ，从而使设备做出各种反应ღ★ღღ。但是如果仅仅这样解释ღ★ღღ，就太抽象了ღ★ღღ。

　　为了具体搞清集成电路工作原理ღ★ღღ，关键是要搞清何谓半导体材料ღ★ღღ。只有这样ღ★ღღ，我们才能理解集成电路是如何利用半导体材料的特性来完成上述工作的ღ★ღღ。

　　大家知道ღ★ღღ，原子主要由原子核与核外电子组成ღ★ღღ，核外电子围绕原子核运动ღ★ღღ，不同原子的原子核所拥有的核外电子ღ★ღღ，数量不同ღ★ღღ。例如ღ★ღღ，下图氢原子的原子核周围有1个电子ღ★ღღ，氦4原子的原子核周围有2个电子ღ★ღღ。

　　例如ღ★ღღ，核外电子会首先分布在距离原子核最近的轨道上ღ★ღღ，当这些轨道被填满后ღ★ღღ，如果还有电子广东公式网ღ★ღღ，它们才会依次分布到距离原子核更远的轨道上去ღ★ღღ。这是因为ღ★ღღ，电子分布到更远的轨道上ღ★ღღ，需要消耗更多能量ღ★ღღ。

　　原子核外第一层轨道ღ★ღღ，最多容纳2个电子ღ★ღღ，第二层轨道最多容纳8个电子ღ★ღღ，第三层轨道最多容纳18个电子ღ★ღღ。最外面的那层轨道ღ★ღღ，最多只能容纳8个电子ღ★ღღ。

　　例如广东公式网ღ★ღღ，上图的氢原子核ღ★ღღ，只有1个核外电子ღ★ღღ，这个电子就会跑到距离氢原子核最近的轨道上去（第一层轨道）ღ★ღღ。

　　上图的氦4原子有2个核外电子ღ★ღღ，由于第一层轨道最多可以容纳2个电子ღ★ღღ，所以这2个电子也会跑到距离氦4原子核最近的轨道上去（第一层轨道）ღ★ღღ。

　　银原子原子核外共有47个电子ღ★ღღ。原子核外第一层容纳了2个电子ღ★ღღ，第二层容纳了8个电子ღ★ღღ，第三层和第四层各容纳了18个电子ღ★ღღ，最外层第五层容纳了1个电子ღ★ღღ。

　　我们知道ღ★ღღ，自然界中绝大部分原子并非独自存在ღ★ღღ，而是与其它原子结合存在ღ★ღღ，否则世界就不会这样千姿百态ღ★ღღ。

　　具体来说ღ★ღღ，在不同原子相互接触的过程中ღ★ღღ，如果某个原子的原子核最外层电子数小于4个ღ★ღღ，这个原子就倾向于失去最外层的电子ღ★ღღ；如果大于4个ღ★ღღ，就倾向于得到电子ღ★ღღ。

　　当某个原子的原子核最外层的电子数正好等于8个时ღ★ღღ，这个原子就既不会倾向于失去这些最外层的电子（因为它们的数量大于4个）ღ★ღღ，又不会倾向于得到来自其它原子的电子（因为原子核最外层的轨道上最多只能容纳8个电子）ღ★ღღ。

　　举个例子ღ★ღღ，氯化氢（HCl）ღ★ღღ。氯化氢是一种室温下的无色气体ღ★ღღ，这种气体主要由无数氯化氢分子组成ღ★ღღ。氯化氢分子则是由氢原子和氯原子结合而成的ღ★ღღ。

　　氢原子有1个核外电子（小于4个）ღ★ღღ，它倾向于失去这个电子ღ★ღღ；氯原子有17个核外电子ღ★ღღ，其中最外层有7个电子（大于4个）ღ★ღღ，它倾向于得到1个电子ღ★ღღ，从而使自己最外层的电子数达到8个电子的稳定状态ღ★ღღ。

　　当氢原子和氯原子相遇后ღ★ღღ，在点燃的情况下ღ★ღღ，氢原子就会贡献出它那唯一一个电子ღ★ღღ，与氯原子最外层那7个电子结合ღ★ღღ，形成8个电子稳定状态的氯化氢分子ღ★ღღ。

　　自然界中还有一些比较特殊的原子ღ★ღღ，它们最外层的电子数既不小于4个ღ★ღღ，也不大于4个ღ★ღღ，而是恰好等于4个ღ★ღღ。

　　这类原子既不像氢原子（H）那样容易失去最外层的电子ღ★ღღ，又不像氯原子（Cl）那样容易得到来自其它原子的电子ღ★ღღ。所以它们的活动性要小于上面这类原子ღ★ღღ。

　　但是由于它们最外层的电子数是4个ღ★ღღ，也并没有达到8个电子的稳定状态ღ★ღღ，所以它们还是具有一定化学活动性ღ★ღღ，并且也能与其它原子相结合的ღ★ღღ。

　　硅原子就是典型ღ★ღღ。硅原子核的最外电子层有4个电子ღ★ღღ，它可以通过和其它四个硅原子相结合ღ★ღღ，使最外电子层达到稳定状态ღ★ღღ。

　　上文说过龙八国际娱乐官方网站ღ★ღღ，银原子核最外层只有1个电子ღ★ღღ，这个电子非常活跃ღ★ღღ，很容易脱离最外面的电子层ღ★ღღ，成为游离电子ღ★ღღ。

　　如果我们手里拿着一根由无数银原子组成的纯银银棒ღ★ღღ，那么这根银棒里面就会存在大量游离电子ღ★ღღ。这些游离电子ღ★ღღ，就是那些游离着的银原子的最外层电子ღ★ღღ。

　　此时ღ★ღღ，如果我们想让这根银棒导电ღ★ღღ，只需要在银棒两端加上一根金属导线ღ★ღღ，并将导线的另一端连接在一个外接电压（比如一枚电池）上ღ★ღღ。

　　这样ღ★ღღ，电池内的电子就会从电池正极流向电池负极ღ★ღღ，再从电池负极沿着导线流向银棒龙八国际娱乐官方网站ღ★ღღ，银棒内的游离电子此时也会向右流动ღ★ღღ，然后流出银棒ღ★ღღ，流入导线ღ★ღღ，最终流回电池正极ღ★ღღ。这个过程会循环下去ღ★ღღ，直到电池电量耗尽ღ★ღღ。

　　这些游离电子由于受到外力（内建电场电磁力）ღ★ღღ，迅速发生定向运动ღ★ღღ，使得导线里的电子能够持续不断地通过银棒ღ★ღღ，形成电流ღ★ღღ，而不至于被阻断ღ★ღღ。在这种情况下ღ★ღღ，我们就说银棒是导体ღ★ღღ，具有导电性ღ★ღღ。

　　玻璃的主要成分ღ★ღღ，是二氧化硅ღ★ღღ。下图就是二氧化硅晶体结构简图ღ★ღღ。前面说过ღ★ღღ，硅原子核的最外层有4个电子ღ★ღღ，而氧原子核的最外层有6个电子ღ★ღღ。

　　以硅原子为坐标来看ღ★ღღ，它周围分布着的四个氧原子ღ★ღღ，每个都给硅原子贡献出1个电子ღ★ღღ，四个氧原子总共给硅原子贡献出4个电子ღ★ღღ。这样ღ★ღღ，再加上硅原子核最外层的4个电子ღ★ღღ，硅原子核最外层就能达到8个电子的稳定状态了ღ★ღღ。上图①和③标出的那两个红色虚线圆圈内ღ★ღღ，表示了这个过程ღ★ღღ。

　　可能大家会有疑惑ღ★ღღ，既然氧原子核最外层有6个电子ღ★ღღ，也没有达到8个电子的稳定状态ღ★ღღ，那么每个氧原子还要给硅原子贡献1个电子ღ★ღღ，氧原子核的最外层岂不只剩5个电子ღ★ღღ，更不稳定了ღ★ღღ。

　　其实并非如此ღ★ღღ。氧原子并不是把自己的1个最外层电子完全给了硅原子ღ★ღღ，而是和硅原子共用（共价键）了这个电子ღ★ღღ。

　　因此ღ★ღღ，以氧原子为坐标来看龙八国际娱乐官方网站ღ★ღღ，它周围分布着的两个硅原子ღ★ღღ，每个也都给氧原子贡献出了1个电子ღ★ღღ，两个硅原子总共给氧原子贡献出了2个电子ღ★ღღ。这样ღ★ღღ，再加上氧原子核最外层的6个电子ღ★ღღ，其最外层就能达到8个电子的稳定状态了ღ★ღღ。上图②标出的那个红色虚线圆圈内ღ★ღღ，表示了这个过程ღ★ღღ。

　　这就是说ღ★ღღ，二氧化硅（玻璃棒）晶体结构中ღ★ღღ，所有原子最外层的电子都已达到8个电子的稳定状态ღ★ღღ，几乎没有游离电子存在ღ★ღღ。此时ღ★ღღ，即便外接一枚电池ღ★ღღ，电池电流也无法通过玻璃棒ღ★ღღ。所以玻璃棒没有导电性ღ★ღღ，是绝缘体ღ★ღღ。同时ღ★ღღ，对于玻璃这类绝缘体来说ღ★ღღ，无论我们怎么放置电池电极方向ღ★ღღ，它都始终不会导电ღ★ღღ。

　　半导体是一种具有单向导电性的材料ღ★ღღ。当电流从一个方向通过时它能够导电ღ★ღღ；当电流从另一个方向通过时它不能导电ღ★ღღ。正是因为半导体的这一特性ღ★ღღ，人们才能将电信号转变为计算机或终端设备能够理解的数据信号ღ★ღღ，从而使设备做出反应ღ★ღღ。

　　上文说过ღ★ღღ，当一个硅原子（Si）四周都是硅原子时ღ★ღღ，这些硅原子会因为共享最外层的电子ღ★ღღ，而达到8个电子的稳定状态ღ★ღღ。我们曾用下图描绘了这个状态ღ★ღღ。

　　由于硅原子处于这种稳定状态ღ★ღღ，每一个硅原子的最外层都没有游离电子ღ★ღღ，所以以这种结构结合的硅原子（单晶硅）基本不具有导电性ღ★ღღ。

　　但是ღ★ღღ，人们发明半导体ღ★ღღ，就是让它能够导电ღ★ღღ，所以必须想出一个办法ღ★ღღ，让这些紧密结合的硅原子中ღ★ღღ，产生游离电子ღ★ღღ。

　　硅原子核最外层有4个电子ღ★ღღ，磷原子核最外层有5个电子ღ★ღღ，两种原子接触后ღ★ღღ，会共用对方的4个电子ღ★ღღ，从而使得双方最外电子层都达到8个电子的稳定状态ღ★ღღ。

　　但是由于磷原子最外层有5个电子ღ★ღღ，因此在磷原子和硅原子达到稳定状态后还会多出一个电子ღ★ღღ，这个多出来的电子ღ★ღღ，就成为了游离电子（专业术语叫多子）ღ★ღღ。如果向单晶硅中大量掺入磷ღ★ღღ，就会产生大量这类游离电子ღ★ღღ。通过这种方式掺杂出来的半导体ღ★ღღ，就叫N型半导体ღ★ღღ。这个状态如下图所示ღ★ღღ。

　　但是N型半导体有一个严重缺陷ღ★ღღ：不具备单向导电性广东公式网ღ★ღღ。当我们对它施加向右的电场时（下面第一张图）ღ★ღღ，其中的游离电子向左运动ღ★ღღ；而当我们施加向左的电场时（下面第二张图）ღ★ღღ，游离电子向右运动ღ★ღღ。

　　因此ღ★ღღ，N型半导体产生的是双向电流ღ★ღღ，而我们需要的是能够产生单向电流的半导体ღ★ღღ。即ღ★ღღ，从一个方向对它施加电场时ღ★ღღ，它能导电ღ★ღღ，从另一个方向施加电场时ღ★ღღ，它无法导电龙八国际娱乐官方网站ღ★ღღ。

　　为了克服N型半导体这一缺陷ღ★ღღ，人们又发明了P型半导体龙八国际娱乐官方网站ღ★ღღ。在P型半导体中ღ★ღღ，人们不再向硅原子里掺入磷原子ღ★ღღ，而是掺入硼原子ღ★ღღ。

　　向硅原子中掺入硼原子后ღ★ღღ，由于硅原子核最外层有4个电子ღ★ღღ，硼原子核最外层有3个电子ღ★ღღ，两者结合并且共用电子之后ღ★ღღ，各自最外层都有7个电子ღ★ღღ，距离8个电子的稳定状态还差1个电子ღ★ღღ，这个空出来的最外层电子轨道位置ღ★ღღ，就叫空穴ღ★ღღ。如果向单晶硅中大量掺入硼ღ★ღღ，就会产生大量空穴ღ★ღღ。

　　接着ღ★ღღ，人们将N型半导体和P型半导体连接起来ღ★ღღ，就会出现如下现象ღ★ღღ。由于N型半导体中含有大量游离电子ღ★ღღ，P型半导体中含有大量空穴ღ★ღღ，所以即便没有施加外部电压ღ★ღღ，N型半导体中的游离电子也会流向P型半导体中的空穴广东公式网ღ★ღღ，并填充这些空穴ღ★ღღ。

　　同时ღ★ღღ，当N型半导体中的游离电子离开磷原子核周围ღ★ღღ，并且流向P型半导体从而填充空穴后ღ★ღღ，磷原子核由于失去电子而带正电ღ★ღღ，硼原子核由于得到电子而带负电ღ★ღღ。这样ღ★ღღ，在N型半导体和P型半导体之间就会产生内建电场ღ★ღღ。内建电场的正极在N型半导体内的磷原子周围ღ★ღღ，负极在P型半导体内的硼原子周围ღ★ღღ。

　　到这一步ღ★ღღ，人类才终于实现了单向导电性ღ★ღღ。因为在N型半导体和P型半导体连接之后（这个连接之后的整体叫作PN结）ღ★ღღ，游离电子只能从N型半导体流向P型半导体ღ★ღღ，却不能从后者流向前者广东公式网ღ★ღღ。之所以会这样ღ★ღღ，因为自然规律本来如此ღ★ღღ。

　　N型半导体内的磷原子周围多出来的那些游离电子ღ★ღღ，是不稳定的ღ★ღღ，它们不在任何电子轨道上面ღ★ღღ，因而天然倾向于填补其它电子轨道上的空穴广东公式网ღ★ღღ，从而达到稳定状态ღ★ღღ。而P型半导体内的硼原子周围又正好提供了这样的空穴ღ★ღღ。这样一来ღ★ღღ，磷原子周围的许多游离电子就不再继续流浪ღ★ღღ，硼原子周围的空穴也被填满ღ★ღღ，并且达到了8个电子的稳定状态ღ★ღღ。

　　然而ღ★ღღ，在不施加外部电场的情况下ღ★ღღ，PN结虽然解决了单向导电性的问题ღ★ღღ，却还是有缺陷ღ★ღღ：连接N型半导体和P型半导体后形成的那个内建电场ღ★ღღ，会阻碍N型半导体内的游离电子持续不断地流向P型半导体内ღ★ღღ。

　　为什么会这样呢ღ★ღღ，因为这个内建电场的正极在N型半导体内ღ★ღღ，负极在P型半导体内ღ★ღღ，而那些N型半导体内剩下的游离电子带负电荷ღ★ღღ，正负相吸ღ★ღღ，负负相斥ღ★ღღ，所以这些游离电子天然地会流向这个内建电场的正极（也就是留在N型半导体内部）ღ★ღღ。

　　想要解决这个问题ღ★ღღ，就要想办法使N型半导体内的游离电子持续不断地流向P型半导体ღ★ღღ，而不受到PN结的内建电场阻碍ღ★ღღ。

　　为了做到这一点ღ★ღღ，人们又想出了一个办法ღ★ღღ，在PN结的外部施加一个电压ღ★ღღ。如下图所示ღ★ღღ。这个电压的方向ღ★ღღ，要与PN结中内建电场的方向正好相反ღ★ღღ，即ღ★ღღ，外加电压的正电加到P型半导体上ღ★ღღ，负电加到N型半导体上ღ★ღღ。这样ღ★ღღ，PN结内部就会产生一个外加电场（下图紫红色箭头）ღ★ღღ；另一方面ღ★ღღ，这个外加电压也要大于内建电场电压ღ★ღღ，否则不起作用ღ★ღღ。

　　这样ღ★ღღ，当我们将外加电压的正电施加给PN结的P端ღ★ღღ，负电施加给N端时ღ★ღღ，半导体就能持续不断地导电了ღ★ღღ。

　　而当我们反过来（如下图所示）ღ★ღღ，将外加电压的负电施加给PN结的P端ღ★ღღ，正电施加给N端时ღ★ღღ，半导体就无法导电ღ★ღღ。在这种情况下ღ★ღღ，相当于用外加电压给PN结施加了一个和PN结内部的内建电场同向的电压ღ★ღღ，因而进一步束缚了N型半导体内游离电子的运动ღ★ღღ。

　　至此ღ★ღღ，人们攻克了半导体单向导电方面的主要难关ღ★ღღ。接下来就要现实地制造出半导体元器件ღ★ღღ。伟大的二极管就是这样诞生的ღ★ღღ。

　　二极管的主要功能ღ★ღღ，是允许电流在一个方向上通过ღ★ღღ，同时阻止电流在相反的方向上通过ღ★ღღ。它正是利用半导体材料能够单向导电这一性质来实现这一目的的ღ★ღღ。

　　下图是上世纪70年代我国北京电子厂生产的二极管微距照片ღ★ღღ。图中红框内部的黑色物体ღ★ღღ，就是半导体ღ★ღღ。

　　二极管（尤其是真空管）是最早的半导体元器件ღ★ღღ，集成电路则是将一定数量的晶体管按照一定规则集中放置在一块特定的电路板上ღ★ღღ。最早的集成电路拥有的晶体管数量通常还不到100个ღ★ღღ，现在的巨大规模集成电路拥有的晶体管数量至少在1000万个以上ღ★ღღ，像我们在文章开篇说的那枚苹果公司设计的A16芯片上ღ★ღღ，拥有160亿个晶体管ღ★ღღ。

　　前文说过ღ★ღღ，集成电路的工作原理ღ★ღღ，是利用半导体材料的特性ღ★ღღ，将电信号转变为计算机或终端设备能够理解的数据信号ღ★ღღ，从而使设备做出各种反应ღ★ღღ。

　　我们要做的是ღ★ღღ：通过控制Aღ★ღღ、Bღ★ღღ、VCC三个方向的输入电压大小ღ★ღღ，调整二极管的导电性ღ★ღღ，从而控制Y点的输出电压ღ★ღღ，并将输出电压转换为二进制数据信号ღ★ღღ。

　　在这种情况下ღ★ღღ，假设A和B的输入电压都是0Vღ★ღღ，VCC的输入电压是6Vღ★ღღ，由于二极管正极电压为6Vღ★ღღ，负极电压为0Vღ★ღღ，所以二极管此时处于导通状态ღ★ღღ，输出电压Y为0Vღ★ღღ，记作0ღ★ღღ。

　　我们假设ღ★ღღ，A的输入电压是0Vღ★ღღ，B的输入电压是3Vღ★ღღ，VCC的输入电压是6Vღ★ღღ，此时ღ★ღღ，两个二极管正极的电压都是6Vღ★ღღ，但是负极的电压不同ღ★ღღ，一个是0Vღ★ღღ，一个是3Vღ★ღღ，在这种情况下ღ★ღღ，电压压差大的二极管（D1）就会优先导通ღ★ღღ。D1优先导通后ღ★ღღ，会把Y点电压拉成0Vღ★ღღ，此时ღ★ღღ，由于二极管D2的正极电压是0Vღ★ღღ，负极电压是3Vღ★ღღ，负极电压大于正极电压ღ★ღღ，所以D2不会导电ღ★ღღ。因此ღ★ღღ，最终在Y点的输出电压是0Vღ★ღღ，也记作0ღ★ღღ。

　　在第四种情况下（111）ღ★ღღ，我们假设A和B的输入电压都是3Vღ★ღღ，VCC的输入电压是6Vღ★ღღ，在这种情况下ღ★ღღ，由于D1和D2两个二极管的正极电压都是6Vღ★ღღ，负极电压都是3Vღ★ღღ，因此都处于导电状态ღ★ღღ，Y点的输出电压就会被拉成3Vღ★ღღ，3V是高电平ღ★ღღ，所以输出是1ღ★ღღ，记作1ღ★ღღ。

　　正是通过上面这些方式ღ★ღღ，二极管将电信号转化成了0和1的二进制数据信号ღ★ღღ，从而能够实现逻辑运算ღ★ღღ，指导设备做出各种反应ღ★ღღ。

　　以上ღ★ღღ，我们花了比较大的篇幅ღ★ღღ，大致了解了半导体的基础理论ღ★ღღ、工作原理以及现实中的个别元件ღ★ღღ。下面ღ★ღღ，我们就来探讨集成电路产业链ღ★ღღ。long8-龙8(中国)唯一官方网站ღ★ღღ，龙8游戏官方进入ღ★ღღ，半导体龙8国际官方网站ღ★ღღ，long8唯一官方网站ღ★ღღ，