芯片，以儲量最豐富成本最廉價的二氧化硅為原料，成就了這個星球的科技之巔，頒一枚最佳逆襲獎，實至名歸！

來源|老和山下的小學(xué)僧

作者|老和山下的小學(xué)僧

原文標題：《點沙成金：半導(dǎo)體芯片》

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芯片原理和量子力學(xué)

很多人覺得量子力學(xué)只是物理學(xué)家的數(shù)學(xué)游戲，沒有應(yīng)用價值，呵呵，下面咱給計算機芯片尋個祖宗，請看示范：

導(dǎo)體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，小盆友們第一次被物理整懵的，怕是半導(dǎo)體了，所以先替各位的物理老師把這債還上。

原子組成固體時，會有很多電子混到一起，但量子力學(xué)認為，2個相同電子沒法待在一個軌道上，于是，為了讓這些電子不在一個軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個軌道，這么多軌道擠在一起，不小心挨得近了，就變成了寬寬的大軌道。在量子力學(xué)里，這種細軌道叫能級，擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。

有些寬軌道擠滿了電子，電子就沒法移動，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動。電子能移動，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電，反過來，電子動不了就不能導(dǎo)電。

好了，我們把事情說得簡單一點，不提“價帶、滿帶、禁帶、導(dǎo)帶”的概念，準備圈重點！

有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上，于是就能自由移動，這就是導(dǎo)體。不過一價金屬的導(dǎo)電原理稍有不同，它的滿軌道原本就不太滿，所以電子不用跑到空軌道也能移動。

但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠自己是跨不過去的，表現(xiàn)為不導(dǎo)電。但如果空隙的寬度在5ev之內(nèi)，給電子加個額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動，表現(xiàn)為導(dǎo)電。這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時導(dǎo)電、有時不導(dǎo)電，所以叫半導(dǎo)體。

如果空隙超過5ev，那基本就得歇菜，正常情況下電子是跨不過去的，這就是絕緣體。當然，如果是能量足夠大的話，別說5ev的空隙，50ev都照樣跑過去，比如高壓電擊穿空氣。

到這，由量子力學(xué)發(fā)展出的能帶理論就差不多成型了，能帶理論系統(tǒng)地解釋了導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的本質(zhì)區(qū)別，即，取決于滿軌道和空軌道之間的間隙。學(xué)術(shù)點說，取決于價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶寬度。

這里有個問題，一旦細軌道變少了，能不能擠成寬軌道就不好說了，所以能帶理論本質(zhì)上是一個近似理論，不適用于少量原子組成的固體。

半導(dǎo)體離芯片原理還很遙遠，別急。

很明顯，像導(dǎo)體這種直男沒啥可折騰的，所以導(dǎo)線到了今天仍然是銅線，絕緣體的命運也差不多。

半導(dǎo)體這種曖曖昧昧的性格最容易搞事情，所以與電子設(shè)備相關(guān)的產(chǎn)業(yè)基本都屬于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，如芯片、雷達。

下面有點燒腦細胞。

經(jīng)過計算篩選，科學(xué)家用硅作為半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料。硅的外層有4個電子，假設(shè)某個固體由100個硅原子組成，那么它的滿軌道就擠滿了400個電子。這時，用10個硼原子取代其中10個硅原子，硼這類三價元素外層只有3個電子，所以這塊固體的滿軌道就有了10個空位。這就相當于在擠滿人的公交車上騰出了幾個空位子，為電子的移動提供了條件。這叫P型半導(dǎo)體。

同理，如果用10個磷原子取代10個硅原子，磷這類五價元素外層有5個電子，因此滿軌道上反而又多出了10個電子。相當于擠滿人的公交車外面又掛了10個人，這些人非常容易脫離公交車，這叫N型半導(dǎo)體。

現(xiàn)在把PN這兩種半導(dǎo)體面對面放一起會咋樣？不用想也知道，N型那些額外的電子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到電場平衡為止，這就是大名鼎鼎的“PN結(jié)”。(動圖來自《科學(xué)網(wǎng)》張云的博文)

這時候再加個正向的電壓，N型半導(dǎo)體那些額外的電子就會源源不斷跑到P型半導(dǎo)體的空位上，電子的移動就是電流，這時的PN結(jié)就是導(dǎo)電的。

如果加個反向的電壓呢？從P型半導(dǎo)體那里再抽電子到N型半導(dǎo)體，而N型早已掛滿了額外的電子，多出來的電子不斷增強電場，直至抵消外加的電壓，電子就不再繼續(xù)移動，此時PN結(jié)就是不導(dǎo)電的。