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、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：

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-》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。