集成电路产业链包括设计、制造和封测三个环节，其中设计环节至关重要，决定了芯片的功能和性能。
2.半导体材料是制造集成电路的关键材料，除了半导体本身，还需要许多其他材料，如绝缘体、导体等。
3.二极管是半导体元器件的一种，利用半导体材料单向导电的特性实现电流控制。
4.集成电路将少数的晶体管按照特定规则集中放置在一块特定的电路板上，最早的集成电路拥有的晶体管数量通常还不到100个。
5.由于半导体材料的应用，集成电路实现了电信号转变为计算机或终端设备能够理解的数据信号，从而使设备做出各种反应。
这篇文章，我们讲讲芯片制造。为了铺垫，我们先讲一讲半导体材料的基本工作原理。
如同古今中外所有的产业一样，集成电路产业链虽然极其复杂，却也可大致分为设计、制造、封测三个环节。
文章有何论点、如何论证，逻辑是不是合理，衔接是否得当，等等。如果没有构思，直接下笔，往往就会主次不分，论证不明，逻辑不清，衔接不当。
构思完成之后就要开始创作（制造）。创作是落实构思的过程，正如制造是落实设计的过程。
如果一篇文章，只有构思，没有创作，那么作品就会仅仅停留在脑海里，不会变成现实。
创作完成后，作品还要经过大家检验（封测）。我的作品如果能为大家带来好的体验或者实际帮助，那就可以算作一篇合格作品；若无法帮到大家，大家就应毫不留情地对我展开批判。
集成电路，是由芯片、晶体管、电阻和电容器等多个相互连接的电子元件组成的电子设备。这些电子元件被安装在半导体材料上。
所以，如果严格地说，集成电路并不完全等于芯片。从狭义讲，芯片也是一种集成电路；从广义讲，集成电路所指的范围要比芯片更大。
半导体材料，是制造集成电路的关键材料，但是集成电路不仅仅需要半导体材料，还需要许多其它材料。同时，半导体材料也不仅仅能用来制造集成电路，它还能制造其它产品。所以，两者是包含关系。
因为本文重点介绍芯片原理及其制造，所以在下文中，我们只从狭义角度理解芯片和集成电路的关系就好，即，集成电路就是芯片。
下图是Intel Xeon 3060中央处理器的内部完整图片及局部放大图片（绿色方框内）。Xeon 3060内部的晶体管数量为2.91亿个，上面A16的晶体管数量是它的55倍。你们可以感受一下。
集成电路的工作原理，简单来说，是利用半导体材料的特性，将电信号转变为计算机或终端设备能够理解的数据信号（比如二进制数据信号），从而使设备做出各种反应。但是如果仅仅这样解释，就太抽象了。
为了具体搞清集成电路工作原理，关键是要搞清何谓半导体材料。只有这样，我们才可以理解集成电路是如何利用半导体材料的特性来完成上述工作的。
大家知道，原子主要由原子核与核外电子组成，核外电子围绕原子核运动，不同原子的原子核所拥有的核外电子，数量不同。例如，下图氢原子的原子核周围有1个电子，氦4原子的原子核周围有2个电子。
例如，核外电子会首先分布在距离原子核最近的轨道上，当这些轨道被填满后，若还有电子，它们才会依次分布到距离原子核更远的轨道上去。这是因为，电子分布到更远的轨道上，需要消耗更多能量。
原子核外第一层轨道，最多容纳2个电子，第二层轨道最多容纳8个电子，第三层轨道最多容纳18个电子。最外面的那层轨道，最多只能容纳8个电子。
例如，上图的氢原子核，只有1个核外电子，这个电子就会跑到距离氢原子核最近的轨道上去（第一层轨道）。
上图的氦4原子有2个核外电子，由于第一层轨道最多可以容纳2个电子，所以这2个电子也会跑到距离氦4原子核最近的轨道上去（第一层轨道）。
下面我们的角度来看一个核外电子数比较多的原子，银原子。下图显示了银原子的原子结构。
银原子原子核外共有47个电子。原子核外第一层容纳了2个电子，第二层容纳了8个电子，第三层和第四层各容纳了18个电子，最外层第五层容纳了1个电子。
我们知道，自然界中绝大部分原子并非独自存在，而是与其它原子结合存在，否则世界就不会这样千姿百态。
具体来说，在不同原子相互接触的过程中，如果某个原子的原子核最外层电子数小于4个，这个原子就倾向于失去最外层的电子；如果大于4个，就倾向于得到电子。
当某个原子的原子核最外层的电子数正好等于8个时，这个原子就既不会倾向于失去这些最外层的电子（因为它们的数量大于4个），又不会倾向于得到来自其它原子的电子（因为原子核最外层的轨道上最多只能容纳8个电子）。
举个例子，氯化氢（HCl）。氯化氢是一种室温下的无色气体，这种气体主要由无数氯化氢分子组成。氯化氢分子则是由氢原子和氯原子结合而成的。
氢原子有1个核外电子（小于4个），它倾向于失去这个电子；氯原子有17个核外电子，其中最外层有7个电子（大于4个），它倾向于得到1个电子，从而使自己最外层的电子数达到8个电子的稳定状态。
当氢原子和氯原子相遇后，在点燃的情况下，氢原子就会贡献出它那唯一一个电子，与氯原子最外层那7个电子结合，形成8个电子稳定状态的氯化氢分子。
自然界中还有一些比较特殊的原子，它们最外层的电子数既不小于4个，也不大于4个，而是恰好等于4个。
这类原子既不像氢原子（H）那样容易失去最外层的电子，又不像氯原子（Cl）那样容易得到来自其它原子的电子。所以它们的活动性要小于上面这类原子。
但是由于它们最外层的电子数是4个，也并未达到8个电子的稳定状态，所以它们还是具有一定化学活动性，并且也能与其它原子相结合的。
硅原子就是典型。硅原子核的最外电子层有4个电子，它能够最终靠和其它四个硅原子相结合，使最外电子层达到稳定状态。
在这样的一个过程中，硅原子周围的其它四个硅原子，每个都贡献出了其最外电子层上的一个电子。
上文说过，银原子核最外层只有1个电子，这个电子非常活跃，很容易脱离最外面的电子层，成为游离电子。
如果我们手里拿着一根由无数银原子组成的纯银银棒，那么这根银棒里面就会存在大量游离电子。这些游离电子，就是那些游离着的银原子的最外层电子。
此时，如果我们想让这根银棒导电，只需要在银棒两端加上一根金属导线，并将导线的另一端连接在一个外接电压（比如一枚电池）上。
这样，电池内的电子就会从电池正极流向电池负极，再从电池负极沿着导线流向银棒，银棒内的游离电子此时也会向右流动，然后流出银棒，流入导线，最终流回电池正极。这个过程会循环下去，直到电池的电量耗尽。
这些游离电子由于收到外部作用力（内建电场电磁力），迅速发生定向运动，使导线里的电子能够持续不断地通过银棒，形成电流，而不至于被阻断。在这种情况下，我们就说银棒是导体，具有导电性。
同时，对于上面这根银棒来说，无论我们怎么放置电池电极方向，它始终会导电。
玻璃的主要成分，是二氧化硅。下图就是二氧化硅晶体结构简图。前面说过，硅原子核的最外层有4个电子，而氧原子核的最外层有6个电子。
以硅原子为坐标来看，它周围分布着的四个氧原子，每个都给硅原子贡献出1个电子，四个氧原子总共给硅原子贡献出4个电子。这样，再加上硅原子核最外层的4个电子，硅原子核最外层就能达到8个电子的稳定状态了。上图①和③标出的那两个红色虚线圆圈内，表示了这个过程。
可能大家会有疑惑，既然氧原子核最外层有6个电子，也未达到8个电子的稳定状态，那么每个氧原子还要给硅原子贡献1个电子，氧原子核的最外层岂不只剩5个电子，更不稳定了。
其实并非如此。氧原子并不是把自己的1个最外层电子完全给了硅原子，而是和硅原子共用（共价键）了这个电子。
因此，以氧原子为坐标来看，它周围分布着的两个硅原子，每个也都给氧原子贡献出了1个电子，两个硅原子总共给氧原子贡献出了2个电子。这样，再加上氧原子核最外层的6个电子，其最外层就能达到8个电子的稳定状态了。上图②标出的那个红色虚线圆圈内，表示了这个过程。
这就是说，二氧化硅（玻璃棒）晶体结构中，所有原子最外层的电子都已达到8个电子的稳定状态，就没有游离电子存在。此时，即便外接一枚电池，电池电流也无法通过玻璃棒。所以玻璃棒没有导电性，是绝缘体。同时，对于玻璃这类绝缘体来说，无论我们怎么放置电池电极方向，它都始终不会导电。
半导体是一种具有单向导电性的材料。当电流从一个方向通过时它能够导电；当电流从另一个方向通过时它不能导电。正是因为半导体的这一特性，人们才能将电信号转变为计算机或终端设备能够理解的数据信号，从而使设备做出反应。
上文说过，当一个硅原子（Si）四周都是硅原子时，这些硅原子会因为共享最外层的电子，而达到8个电子的稳定状态。我们曾用下图描绘了这个状态。
由于硅原子处于这种稳定状态，每一个硅原子的最外层都没有游离电子，所以以这种结构结合的硅原子（单晶硅）基本不具有导电性。
但是，人们发明半导体，就是让它能够导电，所以必须想出一个办法，让这些紧密结合的硅原子中，产生游离电子。
硅原子核最外层有4个电子，磷原子核最外层有5个电子，两种原子接触后，会共用对方的4个电子，从而使得双方最外电子层都达到8个电子的稳定状态。
但是由于磷原子最外层有5个电子，因此在磷原子和硅原子达到稳定状态后还会多出一个电子，这个多出来的电子，就成为了游离电子（专业术语叫多子）。如果向单晶硅中大量掺入磷，就会产生大量这类游离电子。通过这一种方式掺杂出来的半导体，就叫N型半导体。这个状态如下图所示。
但是N型半导体有一个严重缺陷：不具备单向导电性。当我们对它施加向右的电场时（下面第一张图），其中的游离电子向左运动；而当我们施加向左的电场时（下面第二张图），游离电子向右运动。
因此，N型半导体产生的是双向电流，而我们应该的是能够产生单向电流的半导体。即，从一个方向对它施加电场时，它能导电，从另一个方向施加电场时，它无法导电。
为了克服N型半导体这一缺陷，人们又发明了P型半导体。在P型半导体中，人们不再向硅原子里掺入磷原子，而是掺入硼原子。
如下图所示，硼原子核最外层有3个电子，在与其它原子结合时容易失掉这些电子。
向硅原子中掺入硼原子后，由于硅原子核最外层有4个电子，硼原子核最外层有3个电子，两者结合并且共用电子之后，各自最外层都有7个电子，距离8个电子的稳定状态还差1个电子，这个空出来的最外层电子轨道位置，就叫空穴。如果向单晶硅中大量掺入硼，就会产生大量空穴。
同时，由于最外层电子数是7个，大于4个，所以硼原子核最外层的那个空穴倾向于得到电子。
接着，人们将N型半导体和P型半导体连接起来，就会出现如下现象。由于N型半导体中含有大量游离电子，P型半导体中含有大量空穴，所以即便没有施加外部电压，N型半导体中的游离电子也会流向P型半导体中的空穴，并填充这些空穴。
同时，当N型半导体中的游离电子离开磷原子核周围，并且流向P型半导体从而填充空穴后，磷原子核由于失去电子而带正电，硼原子核由于得到电子而带负电。这样，在N型半导体和P型半导体之间就会产生内建电场。内建电场的正极在N型半导体内的磷原子周围，负极在P型半导体内的硼原子周围。
到这一步，人类才终于实现了单向导电性。因为在N型半导体和P型半导体连接之后（这个连接之后的整体叫作PN结），游离电子只能从N型半导体流向P型半导体，却不能从后者流向前者。为何会这样，因为自然规律本来如此。
N型半导体内的磷原子周围多出来的那些游离电子，是不稳定的，它们不在任何电子轨道上面，因而天然倾向于填补其它电子轨道上的空穴，进而达到稳定状态。而P型半导体内的硼原子周围又正好提供了这样的空穴。这样一来，磷原子周围的许多游离电子就不再继续流浪，硼原子周围的空穴也被填满，并且达到了8个电子的稳定状态。
然而，在不施加外部电场的情况下，PN结虽然解决了单向导电性的问题，却还是有缺陷：连接N型半导体和P型半导体后形成的那个内建电场，会阻碍N型半导体内的游离电子持续不断地流向P型半导体内。
为什么会这样呢，因为这个内建电场的正极在N型半导体内，负极在P型半导体内，而那些N型半导体内剩下的游离电子带负电荷，正负相吸，负负相斥，所以这些游离电子天然地会流向这个内建电场的正极（也就是留在N型半导体内部）。
想要解决这一个问题，就要想办法使N型半导体内的游离电子持续不断地流向P型半导体，而不受到PN结的内建电场阻碍。
为了做到这一点，人们又想出了一个办法，在PN结的外部施加一个电压。如下图所示。这个电压的方向，要与PN结中内建电场的方向正好相反，即，外加电压的正电加到P型半导体上，负电加到N型半导体上。这样，PN结内部就会产生一个外加电场（下图紫红色箭头）；另一方面，这个外加电压也要大于内建电场电压，否则不起作用。
这样，当我们将外加电压的正电施加给PN结的P端，负电施加给N端时，半导体就能持续不断地导电了。
而当我们反过来（如下图所示），将外加电压的负电施加给PN结的P端，正电施加给N端时，半导体就无法导电。在这种情况下，相当于用外加电压给PN结施加了一个和PN结内部的内建电场同向的电压，因而进一步束缚了N型半导体内游离电子的运动。
至此，人们攻克了半导体单向导电方面的主要难关。接下来就要现实地制造出半导体元器件。伟大的二极管就是这样诞生的。
二极管的基本功能，是允许电流在一个方向上通过，同时阻止电流在相反的方向上通过。它正是利用半导体材料能够单向导电这一性质来实现这一目的的。
下图是上世纪70年代我国北京电子厂生产的二极管微距照片。图中红框内部的黑色物体，就是半导体。
二极管（尤其是真空管）是最早的半导体元器件，集成电路则是将少数的晶体管按照一定规则集中放置在一块特定的电路板上。最早的集成电路拥有的晶体管数量通常还不到100个，现在的巨大规模集成电路拥有的晶体管数量至少在1000万个以上，像我们在文章开篇说的那枚苹果公司设计的A16芯片上，拥有160亿个晶体管。
前文说过，集成电路的工作原理，是利用半导体材料的特性，将电信号转变为计算机或终端设备能够理解的数据信号，从而使设备做出各种反应。
那么电信号如何转变为数据信号呢。这方面的知识比较枯燥，以下内容大家大致了解即可，不必深究。
其中，A和B是输入电压，D1和D2是两个二极管，VCC是电压源，R是电阻，Y是输出电压。
我们要做的是：经过控制A、B、VCC三个方向的输入电压大小，调整二极管的导电性，从而控制Y点的输出电压，并将输出电压转换为二进制数据信号。
在这种情况下，假设A和B的输入电压都是0V，VCC的输入电压是6V，由于二极管正极电压为6V，负极电压为0V，所以二极管此时处于导通状态，输出电压Y为0V，记作0。
我们假设，A的输入电压是0V，B的输入电压是3V，VCC的输入电压是6V，此时，两个二极管正极的电压都是6V，但是负极的电压不同，一个是0V，一个是3V，在这种情况下，电压压差大的二极管（D1）就会优先导通。D1优先导通后，会把Y点电压拉成0V，此时，由于二极管D2的正极电压是0V，负极电压是3V，负极电压大于正极电压，所以D2不会导电。因此，最终在Y点的输出电压是0V，也记作0。
在第四种情况下（111），我们假设A和B的输入电压都是3V，VCC的输入电压是6V，在这种情况下，由于D1和D2两个二极管的正极电压都是6V，负极电压都是3V，因此都处于导电状态，Y点的输出电压就会被拉成3V，3V是高电平，所以输出是1，记作1。
正是通过上面这些方式，二极管将电信号转化成了0和1的二进制数据信号，从而可以在一定程度上完成逻辑运算，指导设备做出各种反应。
以上，我们花了比较大的篇幅，大致了解了半导体的基础理论、工作原理以及现实中的个别元件。下面，我们就来探讨集成电路产业链。
鄂公网安备