芯片原理

芯片原理

1.芯片为什么要采用CMOS:

CMOS，C：是互补的意思complementary，是指采用NMOS和PMOS管形成一个组合实现一个开关功能。也就是最小单元由至少两个MOS管组成。

MO：是金属氧化物的意思，是指MOS管的G极的材质是金属氧化物的

上图中，如果采用图A所示，则有Ic这个电流，如果R很大，那么V o的驱动能力就很弱，会造成芯片的反应速度很慢，如果R很小，则在MOS管开通时，电流Ic非常大，因此，这样的电路是没法应用于芯片的，经初步计算，如果采用图A所示的电路，要达到一定的处理速度，那么其功耗是100kW级别的，而采用图B的互补型（N和P型对称布置），则Vi高电平时上管关闭，下管开启，低电平时则相反，这样就不存在电流，那么为什么芯片还是有很大的功耗呢，这就是MOS管的结电容引起的，因为G极就是一个电容效应。充放电虽然对于一个MOS管来说是很小的功耗，但是芯片的晶体管数量非常多，如一个CMOS 开关为1uW，那么1000万个呢就是100W。

芯片的功耗基本可以这样理解：P = N * C* f * V2

N：晶体管个数，C：MOS管及其他引起的电容，f为频率、V为电压

当频率很高时，为了降低功耗，现在芯片的工作电压一直在降低，如从3V降低到1V，那么功耗降低了9倍，如果通过改善晶体管结构和线路结构，能减少电容C，那么也可以降低芯片功耗。

注意：我们在设计单片机电路时，经常性地采用如图A所示的下拉（或上拉）电阻形式，一般我们的被驱动电路的功耗是比较大的，因此经常会忽略该电路引起的功耗问题。

2.芯片制作

芯片就如多层电路板，最低层为晶体管，然后往上几层就是连线（罗辑）。

切开一个晶片的小块，其中上层的导线连接就如这样，就如多层电路板，是一个三维连接体，导线之间会引起电容和信号干扰，而弯弯曲曲的导线，也会引起电感。

第一步：制作晶圆。

晶圆现在一般为8寸、12寸、20寸等。

晶圆本身进行参杂，形成P型，或N型衬底。也就是基板。

晶圆的制作过程，在网上有很多视频。

第二步：在晶圆上进行杂质注射，这里就需要模板。

模板中的孔，就是要变成PNP型MOS管的位置，这是在芯片设计时就已经决定了的，由芯片的晶体管的布局决定。

第三步，再在已经布局好的P和N基底上，注入杂质，形成N和P型半导体，这就是MOS管的S（源）极和D（漏）极形成的过程。

要分两步：第一步注入N型杂质，然后换模板注入P型杂质。

第四步、实现逻辑、就是门电路的互联：

芯片制作时，会在原来的晶片的基础上，经过蚀刻去除一些部分，留下一些部分来制作P、N半导体，然后在在其上不断地增加层，每层都如电路板的一个层一样。如首先增加G极的绝缘层，就如上图，可以通过物理的或化学的方法，使每层都非常薄。一般越到上层，电流越大，是模块之间的连接，因此蚀刻的模板的孔也越大。

芯片设计时：

首先是系统设计、逻辑设计（VDHL），那就是类似软件开发一样。

然后经过专门的软件进行逻辑仿真，这种软件相对来说便宜些。

逻辑没有问题时，将设计转换成门电路图。

（元胞：就是最小的可以作为一个整体被直接使用（就如软件开发的一个函数调用）的最小单元。一般芯片设计软件有很多成熟的库，而这也与具体的生产工艺有关，设计人员可以自己设计，就如PCB可以自己设计元件库）

然后把门电路图转换成实际的晶体管布局图，这个过程要相当的经验了，这涉及到布局的合理性、电气性能。关系到最终的产品的稳定性。这个过程是有软件辅助设计的，类似PCB板的设计，元件定位、布线。

然后就是输出版图，这个一般要专业的工具了，版图是直接可以给芯片加工厂生产的图纸，就如PCB的布线图、焊盘图等，这样的工具非常贵，一般个人是买不起的从原理图到版图，这中间经过很多次的翻译，也就如软件编译一样，只是芯片的编译没软件那么规范，涉及的问题更加多些。

对于一些小型的芯片，特别是量非常大的芯片，则芯片的布局图一般都采用手工进行，做到最优化。

芯片设计并不如我们想想的那么神秘，虽然很难，但是原理并没有什么高深的理论。

只是设计的工具和生产工具很难获得，因而能有机会进行芯片核心部分设计的人也很少，芯片设计人员的经验就变得非常珍贵。

N年以后，或许你自己就可以在家里弄个设计平台，然后弄套设备进行芯片生产。

一切只要技术和工艺成熟时。

3.芯片的绝缘填充材料为二氧化硅，由于二氧化硅的介电常数高，因此形成的电容也大，

目前采用碳化硅后，电性能就好很多。

4.在芯片上制作电阻有很多方式，直接进行参杂来形成电阻的，或直接注入电阻材料或金

属。电阻可以做到很高阻值，因此芯片的外接电阻比较少，因为一般在内部就可以实现。

但是芯片内制作大电容就不可能，即使是薄膜电容，虽然绝缘层可以做得非常薄，但是面积是非常有限的，稍微大一点的一般需要多层电路连接形成电容。电感一般可以通过弯曲的导线实现，但是也不可能做得很大，第一是空间问题，第二是干扰问题。而在芯片内部，如果只是布尔运算，一般不需要很大的电容电感的，电容电感仅做改善电路性能的用途，但是对于模拟芯片，则由于要进行信号处理，电容、电感是自然就很多了。

但是要用到稍微大点的电容、电感一般就需要外部电路协作，即使是电阻，芯片内部做的功率一般非常小，因此在模拟芯片中，与功率有关的部分，必然要引用外部电路进行调节。在芯片内部的电子元件极易受到芯片温度影响，因此对于高精度要求的电路，其芯片的外围元件也必然会多，而且其精度也要求高。

5.在芯片内部的元件：MOS管、双极型三极管、电阻、电容、电感。