带你看懂芯片的内部结构

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( 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(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。

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。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。

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。

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。

1、系统级

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... ...

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。

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。

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。

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。

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

无论是数字电路还是模拟电路，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。因此集成电路从宏观到微观，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：

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：

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->电路板”的顺序，我们最终可以得到电子产品的核心部件——电路板。

芯片生产是很多国家的难题，看下芯片内部构造是怎样的

我们日常生活中几乎所有的电子产品都会用到芯片，芯片对于电子器具的作用好比大脑对人体的作用。

芯片的制造技术十分尖端，融合了多个领域的知识，芯片的内部到底是怎样的呢？

我们用一个比较典型常见的芯片为大家介绍一下。电源管理芯片是一直常见的芯片，

这种芯片的结构我们分为几部分来说，第一部分是芯片的外观，正面是激光打标的编号和型号，

反面是割痕，这个割痕是由整版镀锡之后切开产生的。外层下面就是一些部件，

由半导体和功率电感装置组成。芯片的最底部就是焊盘和镀锡的地方，

只有一次厚度只有16um。芯片内部的电子器件尺寸都十

分的小，整个芯片的尺寸只有3*2.5*9mm，功率电感装置的尺寸是2*1.2*0.5mm，

半导体的尺寸最小只有1.4*0.9*0.3mm。芯片每两个焊接口的距离最大仅为1纳米。

由于尺寸太小，而且内部除了电子元器件之外还要安排线路的位置，所以制作工艺太过于繁琐，

对于生产机器的精度要求也很高，所以芯片的生产一直是世界很多国家的难题。

一个发展中国家，强如中国这样的发展中国家，从零开始建设芯片生产链都需要近20年的时间，

所以对于很多发展中国家，芯片的来源都是进口。芯片生产的最好的国家当属美国和德国，

这两个国家是世界上最早开始生产芯片的国家，在芯片领域他们拥有最好的技术人才和最完整先进的芯片生产链，在芯片市场上有一定垄断地位。

芯片也叫做集成电路或者微电路，世界上第一个集成电路是在1958年诞生的，是由美国人杰克.基尔比，

在集成电路诞生42年之后他被授予诺贝尔奖，没有他就没有如今的半导体产业。

集成电路可以依照模拟或者数字分为数字集成电路，模拟集成电路，另外还有一种混合信号集成电路。

数字集成电路在传递信息方面见长，模拟集成电路在控制电路方面应用较多。

发展芯片是成为发达国家的重要条件之一，希望我们的祖国也可以拥有完整的芯片生产链

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