沙子是如何变成芯片的?

高科德 2022-03-18 14:40 编辑:幸辰 299阅读

本问题有点像“胖子是如何吃胖的?”答曰“说来话长,反正一口吃不成胖子。”开句玩笑,书归正传,下面概略回答“人类是如何想到用砂子制造芯片的?”其中省却事件的年月与人名。

电学发展初期,人们认识了导体、绝缘体;后来发现介于导体与绝缘体之间还有一大类物质,有人将之称为半导体,有人称为半绝缘体,后来统一称为半导体。进而研究发现半导体有n型和p型之分。

电学发展的过程中还发现,有时候需要通过整流的方式,将交变电流变为直流电流;有时候需要通过检波的方式,将较高频率的交变电流上载有的频率较低的脉动电流下载。早期的整流过程与检波过程是由真空电子管中的真空二极管来完成的,后来发现使用半导体材料也可以完成整流与检波功能,于是出现了半导体整流堆和半导体整流二极管、半导体检波二极管。

后来发现在半导体二极管的n区和p区之间的导电通道旁边,另外增加一个半导体区,就可以控制原有两极间的电流导通状态,于是就制作成了半导体三极管,又称为晶体管。

最早的晶体管使用的材料是锗。既然锗可以用来制作半导体二极管和半导体三极管,人们想到与锗属于同族元素、性质相近的硅也应当能够顺理成章。于是用硅制作成了硅半导体二极管、硅三极管,结果比用锗制作锗半导体二极管、锗三极管性能更好。

硅材料何处去找?当然在地壳中寻找。实际上,硅在地壳矿物元素中的丰度最高,占全部元素含量总重量的28.15%,而且大部分以砂子(沙子,二氧化硅)的形式存在。于是就对砂子中的硅进行还原,再经粹化提纯、提拉单晶、一套切、磨、抛工序后,制成单晶硅片,就可以制作硅二极管、硅三极管了。

由于硅二极管、三极管的体积比真空电子管缩小了几十倍、几百倍、几千倍、上万倍,当然将整个电路制作到一块硅单晶片上成为了可能。这就是半导体集成电路。

随着集成电路的制作工艺越来越精细,集成电路的规模就越来越大,于是集成电路由小规模集成电路,一路发展,陆续出现中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路。现在超大规模集成电路又叫作芯片。

如果你将上述内容看明白了,就会知道不是哪一个人突发奇想,就像用沙子垒墙那样砌成了一块芯片,而是靠众人之功。这个过程告诉我们,要想有所作为,首先要把前人和其他人创造的知识为我所用,才能有所发现、有所发明、有所创造、有所前进,才能够更上一层楼!