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虽然个头较小。但是里面结构比较复杂,格外是其most焦点的微型单元——成千上万个晶体管。工军小编就来为大家详解一下半导体芯片的里面结构。
一般的,我们用从大到小的结构层级来认识集成电路,这样会好理解。
(1)系统级
我们还是以手机为例,整个手机是一个复杂的电路系统,它可以玩game、可以打电话、可以听音乐、可以哔--。它的里面结构是由多个半导体芯片以及电阻、电感、电容相互连接组成的,称为系统级。(当然,随着技能的发展,将一整个系统做在一个芯片上的技能也已经出现多年——soc技能)
(2)模块级
在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源,有的负责通信,有的负责显示,有的负责发声,有的负责统领整体的计算,等等。我们称为模块级。这里面每个模块都是一个宏大的领域,都聚集着许多人类智慧的结晶,也养活了很多公司。
(3)寄存器传输级(rtl)
那么每个模块都是由什么组成的呢?以占整个系统较大比例的数字电路模块(它只负责进行逻辑运算,处理的电信号都是离散的0和1)为例。它是由寄存器和组合逻辑电路组成的。
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control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稳定的矩形波。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。
什么是组合逻辑呢,就是由很多“与(and)、或(or)、非(not)”逻辑门构成的组合。比如两个串联的灯泡,各带一个开关,只有两个开关都打开,灯才会亮,这叫做与逻辑。
一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。
(4)门级
寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的,把它再细分为与、或、非逻辑,便到达了门级(它们就像一扇扇门一样,阻挡/允许电信号的进出,因而得名)。
(5)晶体管级
无论是数字电路还是模拟电路,到较底层都是晶体管级了。整体的逻辑门(与、或、非、与非、或非、异或、同或等等)都是由一个个晶体管构成的。因此集成电路从宏观到微观,达到较底层,满眼望去其实全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、加法器及积分器等等。由bjt构建的电路我们称为ttl(transistor-transistorlogic)电路。bjt的电路符号长这个样子:
但是后来金属-氧化物半导体场效应晶体管
(mosfet)的出现,以advanced的电学特性、较低的功耗扫除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:
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的制造过程。只不过现实中制造芯片的层级顺序正好反过来了,是从较底层的晶体管开始一层层向上搭建。
也就是说,按照“晶体管-》芯片-》电路板”的顺序,我们至终可以得到电子产品的焦点部件——电路板
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