一个PN结的繁衍史:从二极管到MOS管和集成电路

HOTKING2019-10-25 12:00:00二极管集成电路MOS管

《合晶内参》认为,不管多大规模的集成电路芯片,都是以二极管作为基础单元的。由于二极管是集成电路的基础,我们从二级管开始,对三极管、mos管、逻辑门电路、集成电路、大规模集成电路做个简单科普。

经历了中美贸易摩擦的洗礼,半导体芯片成了众所周知的科技明星。不过,在大家热衷于谈论5G基带、CPU、GPU、内存等热点话题时,很少有人关注二极管。《合晶内参》认为,不管多大规模的集成电路芯片,都是以二极管作为基础单元的。

1. 从二极管到逻辑门电路

由于二极管是集成电路的基础,我们从二级管开始,对三极管、mos管、逻辑门电路、集成电路、大规模集成电路做个简单科普。

半导体器件的基础:PN结
半导体器件的基础:PN结

(1)二极管

二极管(Diode)就是一个PN结,这是大家熟知的基本器件之一,只允许电流由单方向流动,主要用途是整流。这种单向导通还有个特点就是施加的电压必须大于某个数值(阈值),例如硅二极管的导通电压为0.5V,在导通后继续增加电压会导致电流大幅增加,这相当于电阻值下降了。根据《合晶内参》,另外还有一个特殊的二极管类别——变容二极管(Varicap Diode),这主要用作电子式的可调电容器。

二极管是构成电子电路的基本器件之一
二极管是构成电子电路的基本器件之一

以硅质(SI)二极管为例,二极管的特性可概括如下:

(1)只能单向导通。

(2)施加电压低于0.5V时,二极管完全不导通。

(3)施加电压等于0.5V时,二极管突然完全导通。

可以说,二极管的发明和大规模使用是现代工业发展的基础。事实上,科学家们利用二极管的上述基本特性,一直在构建庞大复杂的电子科技金字塔。

(2)三极管

三极管也称晶体管(transistor),是在二极管基础上发明的一种具有放大作用的半导体器件,由两个PN结组成。结构上,三极管增加了一极,其导通不再像二极管一样由加在两端的电压大小决定,而是取决于三极间的压差。

也就是说,基极b、集电极c、发射极e都施加了一定的电压,集电极c、发射极e间先是逐渐导通(表现为压差增大电流增大),进而处于完全导通状态,具体表现为压差增大而电流不变。不过,这种导通也是有方向的即c-e导通,而不是e-c导通。也就是说,施加反向电压再高,也不会反向导通,只会损坏管子。


大部分三极管目前已经采用表贴封装

对于三极管特性,可如下概括:

(1)只能集电极c到发射极e导通(反向施加电压无法反向导通)。

(2)压差低于某值A时完全不导通(无电流)。

(3)压差高于某值A时逐渐导通(电流随压差增大)。

(4)压差高于另一值B时,三极管完全导通(电流不随压差变化)。

(3)逻辑门电路

基于二极管、三极管、电阻、电容的物理特性,科学家组合出了三个基本的电路逻辑,即与门、或门、非门,这是数字电路的基本单元。

(1)与门:A、B两端同时输入5V则L端输出5V,否则L端输出0V。

(2)或门:A、B任意一端输入5V则L端输出为5V,A、B端同时为0V时L端输出为0V。

(3)非门:A端输入5V则L端输出0V,A端输入0V则L端输出5V。

这种逻辑电路运行稳定、可靠。以非门为例,在A端输入小于5V时L端输出则稳定于5V(或高电平),当A端等于5V时L端会立即输出为0V(或低电平)。

在这些逻辑电路的基础上,科学家们通过逻辑叠加,实现了减法器、乘法器、除法器、8位加法器。实际上,所有运算都是逻辑的叠加,最终都转化成了电路,并通过电路来实现一定的功能。

2. 从MOS管到集成电路

事实上,“计算机”的发明是集成电路进步的结晶。虽然10位的加法、100位的减法、1000位的乘法,在理论上都能通过足够多的二极管、三极管、电容电阻来实现。按照这样的逻辑设计出来的计算器,体积大得不可想象,而“耗电”也是一个大问题。



《合晶内参》资料显示,世界上第一台通用计算机ENIAC虽然每秒能运算5000次加法或400次乘法,竟然使用了17,468根电子管、7,200根二极管、70,000个电阻器、10,000个电容器、1500个继电器,以及6000多个开关。即使不考虑成本、复杂度,仅仅耗电量就是一个天文数字。

这时,能够缩小计算机的体积、造价、耗电的革命性半导体器件——集成电路(IC)诞生了。集成电路不是使用电路将各种元器件连接起来,而是将各种元器件、线路直接“做”到了硅片上。

其中,mos管利用金属连接各PN结,用氧化物将PN结隔离。不断这样,我们就能在硅片上制造很多的半导体(PN结)、金属(线路)、氧化物(绝缘层),这些半导体、金属、氧化物组成的器件称为MOS管,将无数个MOS管按一定逻辑组合就能制造出集成电路(IC)。

在工艺上,集成电路制造工艺大概如下:

(1)切割:将来自工厂的硅锭(单晶硅)切割成片,即硅片。

(2)影印:在硅片上涂一层光阻物质(想象成防护膜),再按设计要求溶解部分光阻物质(让部分区域露出来)。生产中,在紫外灯上面加一层有很多孔的遮罩,被紫外灯照射的光阻物质就溶解了,而没有照射的地方还有保护。通过影印,部分光阻被清除,并露出部分硅片。

(3)刻蚀:露出该露的、遮住该遮的部分后,再使用刻蚀技术将没被遮住的区域“蚀”出一个沟。

(4)掺杂:有了沟之后就使用原子轰击这个“沟”,使掺入杂质形成P型衬底。

(5)沉积:在P型衬底上沉积一层N型硅。

这样反复影印、刻蚀、掺杂、沉积,就得到了我们需要的MOS管;将无数MOS管按一定逻辑组合,就成具有一定功能的集成电路。

3. 从集成电路到CPU

在一块晶圆上制作大量MOS管就成了集成电路。在早期一般会按照MOS管的数量,把MOS管特别多的叫大规模集成电路,MOS管超级多的叫超大规模集成电路。

随着工艺进步,一块晶圆片上集成的半导体器件越多、电路越复杂,能实现的功能也越来越多,人们已经不再满足于加、减、乘、除这样简单运算。之后,人们基于“未来”的数据存储考虑,对集成电路进行了划分。

CPU是系统进行数据处理的指挥中心

(1)D触发器:用来把数据“锁”在电路里。例如,当CP时钟控制信号值为1时,D输入一个信号,Q输出同样的信号;当CP值不为1时,D输入任何信号则Q输出不变,就将D信号“锁”在了Q里。

(2)寄存器:将数个D触发器的组合就实现了一个寄存器。根据工作内容,寄存器可细分为:指令寄存器、程序计数器、地址寄存器、通用寄存器等。

(3)运算器:这是将数个寄存器与前面所说的加、减、乘、除计算电路结合而成的,其作用就是对寄存器(一个或多个)中的内容进行计算,并将运算结果存入寄存器。

(4)控制器:由指令寄存器、指令译码器、程序计数器、堆栈指针、数据指针组成。负责从指令寄存器中获取指令而后根据指令从外部存储中获取数据、控制运算器执行运算、获取下一步指令等,而这一切都是通过“时钟控制信号”和复杂的逻辑运算实现的。

对于时钟控制信号,我们可以理解为一个节拍器,时钟源向CPU发送有节奏的高低电平信号,激活控制器内部逻辑电路。该逻辑电路又根据指令寄存器的内容,生成各种控制信号指挥运算器读取数据、执行运算,并读取下一步指令和存储计算结果。

(5)存储器:即高速缓冲存储器,作用是存储即将交付CPU处理的数据,以及保存CPU处理的结果。实际上,存储器是个中转站,这里放置有各种控制信号和数据,控制器就是从这里获取下一步的数据和指令的。

(6)CPU:这是整个系统的大脑。写好代码后,电脑的编译器就将这些代码翻译成CPU可以识别的数据格式,并按一定顺序放入存储器中。这样,控制器会根据预设的程序,按节奏从存储器中获取数据和指令,并控制运算器处理这些数据,实现代码功能。

随着半导体技术的突飞猛进,连“摩尔定律”都快不灵验了,集成电路的工艺节点也演进到了10nm以下。同时,分立二极管产品性能也在不断提升,以满足各行业对大电流、高电压和高工作温度的需求,顺应节能环保的科技大趋势。