汇春科技丨探寻芯片的内部结构

半导体材料是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类固体材料。与导体和绝缘体相比,半导体是最晚发现的。当材料的提纯技术改进后,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,硅是商业应用上最具有影响力的一种半导体材料。


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半导体产品分为集成电路、敏感器件、光电子器件和分立元件四种,其中集成电路占比超过80%,而芯片又是集成电路的载体,所以大体上我们把半导体等同于集成电路。


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芯片虽然看起来很小,但它内部结构非常复杂,尤其是最核心的微型单元拥有成千上万个晶体管。那么芯片的内部结构是怎么样的呢,让我们由宏观到微观方面一起来梳理一下。


系统级

以手机为例,整个手机是一个复杂的电路系统,可以玩游戏、打电话、听音乐,它的内部结构是由多个半导体芯片以及电阻、电感、电容互相连接组成的,称为系统级。


模块级


在整个系统中,不同模块各司其职有的负责管理电源,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,这些我们都成为模块级。


寄存器传输级


一个复杂的功能模块由许多寄存器和组合逻辑组成。

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文档的矩形波。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。

组合逻辑是有很多“与(AND)、或(OR)、非(NOT)” 逻辑门构成的组合比如两个串联灯泡各带一个开关,只有两个开关同时打开灯才会亮,叫做与门逻辑。


门级


寄存器传输级中的寄存器也是由与或非逻辑构成的,把它再细分为与、或、非逻辑便达到门级,因它们像一扇扇门阻挡或允许电信号进出所以叫门级。


晶体管级


所有的逻辑门都是由一个个晶体管构成的。因此集成电路的最底层就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的电路符号如下:


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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:

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综上所述,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制造的过程只不过与现实中制造芯片的层级顺序正好相反,芯片制造是从最底层的晶体管开始一层层向上搭建的。

汇春科技自2007年以来就致力于消费类电子产品的芯片设计,是国内领先的集成电路芯片设计公司之一。目前公司拥有手势识别、光电sensor、触控IC、麦肯MCU四个系列产品,欢迎更大厂商前来咨询了解。


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