比造原子彈還難？沒那麼玄乎，27圖讓您掃盲積體電路
有人說搞積體電路比搞原子彈還難，我覺得沒那麼玄乎，主要問題是人們對它不瞭解。如今國家急需發展積體電路，我卻很難找到通俗易懂的科普文章，倒是搞笑梗和雞湯文挺多。
我已從事積體電路工作30年，現嘗試用最簡單的文字，給大家介紹一下積體電路。為了便於理解，我會用大家熟悉的宏觀現象來做類比。只要您有中學文化程度，看完基本都能明白積體電路是怎麼回事。
一、積體電路的尺寸概念
我們常見帶電的東西有兩大類：一類是高壓危險的強電，典型代表是電燈泡，電壓為220伏。另外一類是低壓好玩的弱電，典型代表是手機，電池供電電壓只有幾伏。
大多數電器內部都有電路板，上面會有一些帶很多管腳的黑色小塊，它們就是積體電路，通常也叫微電路。越智慧的電器，越離不開積體電路。
這裡先透過熟悉的例子，讓大家對積體電路的尺寸有個直觀的瞭解。
圖1是眼睛，一般人眼為幾釐米，這個尺寸是多數積體電路封裝起來的外觀大小。雖然成品積體電路的尺寸大小不一，但不需要用顯微鏡，眼睛可以直接看見的。
圖2是人體最大的細胞，直徑大約1微米，這就是一般積體電路的內部特徵線條尺寸，積體電路的基本連線和器件都是微米級別的，如果不借助顯微鏡，肉眼是看不見的。
圖3是原子，在奈米級別，現在積體電路最細線條也進入了幾奈米範圍。原子直徑一般在零點幾個奈米，最先進的幾奈米工藝，大約就是幾十個原子那麼大。
可以這麼說，積體電路最細線條可以達到幾奈米級別；一般積體電路內部的特徵線條寬度在微米級別；而把晶片封裝起來做成成品積體電路，一般就是幾毫米到幾釐米大小。
二、積體電路的內部是什麼樣子的？
積體電路是利用半導體技術把許多電路整合在一塊晶片上封裝而成的，外觀一般黑乎乎的，它內部到底是什麼樣子的呢？
圖4是常見的手機，早期的手機像磚塊一樣笨重而且功能單一，現在的智慧手機輕薄且功能強大，這都歸功於大規模積體電路的發展。
圖5是手機內部的電路板，電路板上的黑色方塊就是積體電路，一部手機中會有多塊不同功能的積體電路。
圖6下半部分顯示的是圖5的紅色方塊（1）的內部晶片與連線，很多細細的金屬絲把晶片周圍的一圈白色焊盤引出來，輸出到積體電路的管腳上。
圖6上半部分是下面紅色方塊（2）部分晶片的示意圖，晶片上粉色的長方塊就是焊盤，金屬絲的一端會焊接在焊盤上。
一般情況下，晶片封裝起來了，內部這些引線和晶片都看不見，外部只能看見一個有很多管腳的黑色方塊。
三、從晶圓到晶片
我們知道了積體電路的核心其實是封裝在內部的晶片。這些晶片從哪裡來的呢？它們是由晶圓切割而來的。
圖7是個八英寸的晶圓，這片晶圓上有幾萬顆積體電路。圖7中的紅色方塊（1）放大後就看到圖8的一塊塊晶片。每塊晶片都一樣，切割下來就可封裝幾萬個積體電路成品。
將圖8的紅色方塊（2）放大，就看到右下角一顆晶片完整的版圖，粉紅色的是連線外封裝用的焊盤，版圖中間的紅色方塊（3）放大，就能看到圖9的內部連線。
圖9是晶片內部的金屬連線示意圖，這些連線和接觸孔都是微米級別的。頭髮絲一般幾十微米，它們比頭髮絲細百倍，也即是頭髮絲上就可以做出千百個小器件。
四、矽棒和晶圓
晶圓可以切割成晶片，那麼晶圓是怎麼來的呢？
晶圓是把圖10的矽礦石（我們常見的沙子主要成分就是二氧化矽）在一千多度的高溫融化提煉，慢慢凝固拉成棒狀的單晶棒。圖11顯示不同尺寸的單晶矽棒。
圖12是將矽棒切割成一個個圓片，也就晶圓。透過一系列複雜的擴散光刻等半導體工藝，就可以晶圓上做出積體電路的晶片，最後進行測試、劃片、封裝，變成積體電路成品。
至於積體電路的工藝，這又是專門的一門學問，目前工藝界最細線條可以做到5奈米，也就是到了操縱百十個原子的級別了。至於將來會不會用幾個原子組成一個器件？這很難說，人類這樣孜孜不倦的探索，科學發展不可限量。
五、神奇的半導體
前面幾個圖都容易理解，因為它們都是眼睛能看見的東西。下面介紹的圖片，就進入了微觀世界，跟我們平時看到的不太一樣，不過稍微有點耐心，會發現微觀的東西也是很有趣的。
我們常見的物質都是原子構成的，如果從導電效能分類，可以分為導體，半導體，絕緣體三種。
常見的金屬都是導體，塑膠布料木料等大部分是絕緣體。
而半導體不常見，它們是藏在電器內部的積體電路內。可以說，現代電子資訊文明為什麼能如此精彩，主要是因為這些神奇的半導體。
那麼，從微觀角度，半導體、導體、絕緣體到底有什麼不同呢？
這從能帶角度非常容易理解：我們中學課本都學過，原子是由帶正電的原子核，和繞核高速旋轉帶負電的電子構成的。電子在核外有固定的執行軌道，能量低的電子靠近核運動，能量高的電子遠離核運動。
這些運動看似雜亂無章，其實它們是分層活動的，而且有自己的軌道，這些軌道叫做能級或能帶。電子並不是所有地方都可以活動，不能去的地方叫做禁帶。
一般來說，只有外層的電子才與外界反應，外層能帶也叫價帶，提供價電子與其他原子構成分子。
電子如果從價帶出來，就會變成自由電子，可以在外界電場的作用下傳輸電流。所以把價帶外的能級叫做導帶，也就是能參與導電的能帶。
為了簡化，我們用二維的圖形來說明原子的狀態。
圖13中紅色的圓點代表原子核，外圍藍色的圓圈代表內層電子，它們一般不與外界反應，始終圍繞自己的核旋轉。
綠色圓圈代表價帶，是外層電子，它們有時會跑到其他原子核周圍去串門，從而將幾個原子結合成分子。
軌道之間白色部分是電子不能停留的地方，叫做禁帶。
導帶是基本是準自由的電子，可以隨外界電場運動。也就是隻要電子能到達導帶，就可以在原子間隙亂跑，由於它的速度很快，並不能像圖中那樣看清軌跡，我們用綠色的深淺代表自由電子的數量多寡。這些自由電子可以受外界電場驅動而導電。
圖14示意了導體、半導體和絕緣體間隙中自由電子多寡的區別：
導體內部原子間隙的自由電子很多，用深綠色表示。所以導體很容易隨著外界電場而驅動形成電流。
絕緣體內部幾乎沒有自由電子，用灰色表示。所以絕緣體不導電。
半導體導電能力介於導體和絕緣體之間，用淺綠色表示。半導體可以導電也可以不導電，它的導電能力取決於摻雜，下節會詳細解釋。
圖15是圖14對應紅色方塊處的區域性放大，從禁頻寬度放大圖更容易理解三者的區別：
導體的禁帶很窄，它的價帶電子很容易越過禁帶跑去導帶參與導電，所以叫導體。
絕緣體禁帶很寬，它的價帶電子就很難跑去導帶參與導電，所以叫絕緣體。
半導體的禁頻寬度介於導體與絕緣體之間，所以叫半導體。
導體可以傳輸電流，絕緣體可以保護人體不被電擊，半導體可以製成各種器件，每種材料都有自己的用途。
當然，導體半導體絕緣體都是在一定條件下才有意義。如果電子的能量很大，禁頻寬也不是不可逾越的。絕緣體在高溫高壓下變成導體也是有可能的。比如空氣平時不導電，但高壓可以讓空氣導電形成閃電。
一切都有限度，恰如其分才好。
六、單晶與摻雜
單晶矽是典型的半導體，有時候它會導電，有時候又不導電，這是什麼原因呢？
我們瞭解一下半導體的摻雜情況，來解釋它的導電特性。
由於矽原子核外最外層有四個電子，而它外層能帶軌道其實需要8個電子才能達到穩定狀態。這裡的圖中用靜態的綠色小球表示其外層電子的個數，忽略其內層的電子。
圖17示意了本徵矽，每個矽原子周圍有四個電子，剛好與四周相鄰的矽原子的核外電子共用起來，大家都形成了最外層軌道都是8個電子的穩定狀態。
圖16示意P型矽，它摻雜有幾個比正常的矽原子缺少一個電子的P型原子。這些雜質原子傾向於吸收一個電子，也可以說它多餘一個空穴，相鄰原子的電子如果填充了這個空穴，就會在原位置多出一個空穴。
好像教室內第一排有個空位，同學們依次前移一格補上，相對來說，就好像空位自己跑到後排去了。也可以理解為它透過空穴來導電。與帶負電的電子相反，空穴可以看作一種帶正電的載流子。
圖18示意了N型矽，它摻雜有幾個比正常的矽原子多一個電子的N型原子，這些雜質原子傾向於放棄一個電子，所以N型半導體的電子比較充裕。
可以說，有了不同的雜質，才使半導體很容易改變性狀，成為很多電子的N型半導體和很多空穴的P型半導體。
沒有這些特殊的雜質，光靠矽單晶本身，根本做不出來積體電路。這些雜質濃度並不高，原子數量只佔少數，卻決定了半導體的特性。
雜質原子在矽晶體中，就像一個團隊的少數靈魂人物，決定了團隊的特色。有時不能太純淨，“水至清則無魚”。
七、PN接面的形成
二極體的單向導電特性用途很廣，可以讓電子該透過的透過，不該透過的截至。到底是什麼原因讓電子如此聽話呢？它的微觀機理是什麼呢？這裡簡介如下：
假設有一塊P型半導體（用黃色代表空穴多）和一塊N型半導體（用綠色代表電子多），它們自然狀態下分別都是電中性的，即不帶電。如圖19所示上半部分所示。
圖19示意了把兩個不同性質的半導體結合在一起，在它的介面會形成一個PN接面。邊界處N型半導體的電子自然就會跑去P型區填補空穴，留下失去電子而顯正電的原子。
相應P型區邊界的原子由於得到電子而顯負電，在邊界形成一個空間電荷區。為什麼叫“空間電荷區”？是因為這些電荷是由無法移動的原子構成的。
空間電荷區形成一個內建電場，電場方向由N到P，這個電場阻止了後面的電子繼續過來填補空穴。
因為P型區的負空間電荷是排斥電子的，電子和空穴的結合會越來越慢，最後達到平衡，相當於載流子耗盡了，所以空間電荷區也叫耗盡層。
PN接面的形成很有趣，先來的先佔位，佔位後會排斥後來的。排斥新移民的，往往是老移民。
圖20 示意了PN接面加不同方向的電壓，其導通效果是不一樣的。
外加正向電壓，電場方向由正到負，與內建電場相反，削弱了內建電場，所以二極體可以導通。綠色箭頭表示電子流動方向。
外加反向電壓，電場方向與內建電場相同，增強了內建電場，所以二極體不導通。綠色箭頭表示電子流不過去。
就像圖21帶刺的斜坡，不同方向的導通效果不同。順向的刺突不容易阻礙圓球透過，而逆向的刺突就會阻礙圓球透過。
當然，導通和阻礙都是有限度的，超過了限度，PN接面就可能損壞了，沒有單向導通的效果了。
八、MOS管的形成
有了PN接面，就可以形成三極體、MOS管等各種半導體器件。這裡簡單介紹一下應用最廣的MOS管吧。
圖22是MOS管的符號。MOS管就像開關，由柵極（G）決定源極（S）到漏極（D）是通還是不通。以NMOS為例，圖中綠色代表（N型）富電子區域，黃色代表（P型）富空穴區域。P型和N型交界處就是PN接面分隔。
圖23顯示MOS管開關的效果，超過閾值就開，低於閾值就開不了。柵電壓越大，下面感應出來的電子越多，形成的導電溝道越寬。柵與溝道之間有氧化層隔離，柵上的電流不會流入源漏。
圖24用水管比喻，MOS管開通和關閉的效果：水管被黃色閥門堵住，水就流不過去，就是不導通狀態。如果黃色閥門被外界的紅色磁塊推開，水就可以流過去了，就是導通狀態。
MOS管就是一個受控的開關，它能忠實執行上級指令，讓開就開，讓關就關，所以用途非常廣泛。
由於PMOS是由空穴導電，工作模式與電子導電的NMOS剛好相反：柵上加高電平NMOS導通，而PMOS關閉。柵上加低電平NMOS關閉，而PMOS導通，這裡不再贅述。
九、基本閘電路
下面是CMOS積體電路的基本閘電路——倒相器的示意圖。倒相器是由一個NMOS管和一個PMOS管構成，它的功能很簡單：就是來高電平就把它變成低電平，來了低電平訊號就把它變成高電平。
圖25是倒相器的符號和真值表。“0”代表低電平GND，“1”代表高電平VDD。
圖26是倒相器的原理圖和版圖，如果in端接低電平“0”，由於PMOS是柵接“0”導通，而NMOS關閉，out端便會透過源漏連線到高電平VDD，即輸出“1”。
相反，如果in端接高電平“1”，由於NMOS是柵接“1”導通，而PMOS關閉，out端便會透過源漏連線到低電平GND，即輸出“0”。
要說明的是，要讓阱內的PMOS管和NMOS管不相互影響，P阱和N阱構成的PN接面就得采用反偏接法。所以P阱會接低電平，N阱接高電平。
要把很多電路整合在一起，這種二極體反向隔離技術非常有用。積體電路的目標是讓更多的電路一起協調工作，但卻不能彼此影響，協作與隔離同樣重要。
而倒相器就是能實現將訊號倒向的基礎閘電路。配合其他複雜的閘電路，電器就會越來越智慧。
其他的電路實際也並不神秘，很多電路協作，其原理就像多米諾骨牌，透過某種觸發完成一些特定的功能。比如手觸控一下手機螢幕，手機內的各種閘電路就開始依次有序的導通關閉，從而完成某項功能。
圖27是倒相器的剖面圖，有興趣的同學可以對照起來看。可以考考自己，嘗試把圖27按照倒相器的接法連線起來，成功了就算對微電子入門了。這比研究原子彈容易多了吧？
小結
本文雖短，但內容已經涉及到了三門大學本科課程：《固態物理學》《半導體器件物理》《積體電路設計》。當然，積體電路更深入的知識還很多，這裡介紹的只是簡單的皮毛。
很多人喜歡玩手機，看完本文應該對手機內部的電路多一點了解，少一點神秘感。如果此文能引起某些同學的興趣，多化點時間琢磨一下微電子技術，或者報考微電子專業，說不定國家級積體電路大師之苗從此發芽了呢。（大象韓 20201126）
