详细分析半导体芯片内部结构

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。

半导体

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最晚的，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，在商业应用上最具有影响力的一种。

芯片

芯片(chip)，又称微芯片（microchip）、集成威廉希尔官方网站 （integrated circuit, IC）。是指内含集成威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 模块。它是电子设备中最重要的部分，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。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。

半导体芯片是什么？

一般情况下，半导体、集成威廉希尔官方网站 、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。

半导体是一种材料，分为表格中四类，由于集成威廉希尔官方网站 的占比非常高，超过80%，行业习惯把半导体行业称为集成威廉希尔官方网站 行业。

而芯片就是集成威廉希尔官方网站 的载体，广义上我们就将芯片等同于了集成威廉希尔官方网站 。

所以对于小白来说，只需要记住，当芯片、集成威廉希尔官方网站 、半导体出现的时候，别慌，是同一码事儿。

半导体芯片内部结构

半导体芯片虽然个头很小。但是内部结构非常复杂，尤其是其最核心的微型单元——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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，这样会更好理解。

（1）系统级

我们还是以手机为例，整个手机是一个复杂的威廉希尔官方网站 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）

（2）模块级

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。

（3）寄存器传输级（RTL）

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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 组成的。

寄存器是一个能够暂时存储逻辑值的威廉希尔官方网站 结构，它需要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。

实际应用中，我们需要时钟来衡量时间长短，威廉希尔官方网站 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，威廉希尔官方网站 中矩形波震荡一个周期是它们世界的一个时间尺度。威廉希尔官方网站 元件们根据这个时间尺度相应地做出动作，履行义务。

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。

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。

（4）门级

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）。

（5）晶体管级

无论是数字威廉希尔官方网站 还是模拟威廉希尔官方网站 ，到最底层都是晶体管级了。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。因此集成威廉希尔官方网站 从宏观到微观，达到最底层，满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。

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威廉希尔官方网站 ，比如开关、电压/电流源威廉希尔官方网站 、上面提到的逻辑门威廉希尔官方网站 、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的威廉希尔官方网站 我们称为TTL（Transistor-TransistorLogic）威廉希尔官方网站 。BJT的威廉希尔官方网站 符号长这个样子：

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。除了模拟威廉希尔官方网站 中BJT还有身影外，基本上现在的集成威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本威廉希尔官方网站 元件。MOSFET的威廉希尔官方网站 符号如下：

宗上所述，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，是从最底层的晶体管开始一层层向上搭建。

也就是说，按照“晶体管-》芯片-》威廉希尔官方网站 板”的顺序，我们最终可以得到电子产品的核心部件——威廉希尔官方网站 板。