同学们第一次被物理课本整懵的，怕是「半导体」这个概念了，所以先帮各位的物理老师，来把这个债给还上。

　　我们知道原子外层是有电子的，当原子相互紧密连接，组成固体时，就会有很多电子混到一起。

　　量子力学认为，2 个相同电子没法待在一个轨道上，于是，为了让这些电子不在一个轨道上打架，很多轨道就硬生生分裂成了好几个细轨道。

　　这么多电子的轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。在量子力学里呢，这种细轨道，叫能级，而挤在一起，变成的宽轨道呢，就叫做能带。

　　有些宽轨道上挤满了电子，电子跟高峰时间的地铁一样，没法自由移动。而有些宽轨道空旷的很，就像车上还有不少空位置b体育，电子就可自由移动。

　　我来问一个问题，你知道吗为什么有些东西能够导电，有些缺不能呢？这里啊，就可以解释了。

　　电子可以在宽轨道上移动，宏观上就表现为导电，反过来，电子挤满了，动不了，宏观上就表现为不导电。

　　我们把事情说得简单一点，先不提「价带、满带、禁带和导带」这些概念，直接圈重点。

　　有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这就是导体。这里多提一嘴，一价金属的导电原理略有不同，它的满轨道上原本就不太满，所以电子不用跑到空轨道也能移动。

　　但很多时候两条宽轨道之间呢，是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，表现为不导电。

　　但如果空隙的宽度在 5 电子伏特，也就是 5ev 之内，给电子加个额外能量，它也能跨到空轨道上，而且跨过去就能自由移动，表现为导电。

　　这种空隙宽度不超过 5 电子伏特的固体，有时电子能跨过去，有时不能，也就是说，有时导电、有时不导电，所以叫做半导体。

　　如果宽轨道的空隙超过 5ev，那基本就得歇菜，正常情况下电子是跨不过去的，这就是绝缘体。当然，如果你给的能量足够大的线ev 都照样跑过去。比如说空气属于绝缘体，而高压电就能击穿空气，从而形成电流。

　　到这里，由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，也就是说，这三者取决于满轨道和空轨道之间的间隙。学术点说，取决于价带和导带之间的禁带宽度。

　　这里有个问题，一旦细轨道变少了，能不能挤成宽轨道就不好说了，所以能带理论本质上是一个近似理论，需要很多原子挤在一起，不适用于由少量原子组成的固体。这也是芯片存在发展瓶颈的根本原因。

　　很明显，像导体的这种直男性格，是没啥好折腾的，所以多少年了，导线依然是铜线，再怎么折腾都没啥本质变化，而另一个极端的绝缘体，它的遭遇其实也差不多。

　　只有半导体这种暧暧昧昧的性格，最容易搞事情，所以与电子设备相关的如芯片、雷达这些产业，基本都属于半导体产业。

　　硅的外层有 4 个电子，假设某个固体由 100 个硅原子组成，那么它的满轨道就挤满了 400 个电子，这时电子挤得满满的，无法移动。

　　这时，用 10 个硼原子取代其中 10 个硅原子，硼这类三价元素外层只有 3 个电子，所以这块固体的满轨道就有了 10 个空位。这就相当于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子，为电子的移动提供了条件。这种类型的材料，我们叫它 P 型半导体。

　　同理，如果用 10 个磷原子取代 10 个硅原子，磷这类五价元素外层有 5 个电子，因此满轨道上反而又多出了 10 个电子。相当于挤满人的公交车外面又挂了 10 个人，这些人非常容易脱离公交车，这种材料我们叫他 N 型半导体。

　　不用想也知道，挂在公交车外面的 10 个人肯定会跑到另一辆公交车的空位上。也就是说，N 型那些额外的电子必然是往 P 型那些空位上跑去，直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的「PN 结」。

　　这时候，咱们再加个正向的电压，N 型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到 P 型半导体的空位上，电子的移动就是电流，这时的 PN 结就是导电的。

　　如果加个反向的电压呢？让本来就有空位的公交上，再把人往另一辆坐满挂票的人的车上送。

　　那肯定就不容易上车了。而且从 P 型半导体那里再抽电子到 N 型半导体，随着坐挂票的电子越来越多，电场就会不断增强，一直到抵消了外加的电压为止，这时电子就不再继续移动，此时的 PN 结呢，就是不导电的。

　　当然了，这是理论的理想情况，实际上还是会有微弱的电子移动，但跟正向电流相比呢，这个可以忽略不计。

　　说到这里，如果你已经被整晕了，没关系，我用普通人类的语言总结一下：PN 结具有单向导电性，也就是说，电流只能从 A 流向 B，无法从 B 流向 A。

　　我们现在已经有了单向导电的 PN 结，然后呢？把 PN 结两端接上导线，我们就合成了一个重要道具：二极管。

　　有了二极管，通过组合，就能搭出一个电路来。在这个电路里，有两路输入，一路输出，然后就可以实现这么一个功能：只要其中一路输入有电压，输出就有电压，这叫或门电路，或者的或，大门的门。

　　改一改就可以变成这样：必须要两路都输入电压，输出端才会有电压，这叫与门电路。这类电路叫逻辑门电路。

　　现在有了这些逻辑门电路，咱们啊，离芯片就不远了。你可以设计出一种电路，它拥有一大堆的逻辑门电路，有很多输入端和输出端，然后把有电压看作 1，没电压的看作 0，这个电路就可以把一串 1 和 0，变成另一串 1 和 0。

　　一不小心，我们就得到了芯片运算的本质：把一串 1,0，变成另一串 1,0。

　　简单举个例子，某个电路左边 4 根线 根线作为输出，现在左边输入 1010，也就是在第 1 根和第 3 根线上加电压，那么，右边就会输出 0101，也是第 2 根和第 4 根线有电压，这就算完成了一次运算。

　　我们来玩个稍微复杂一点的局，把左边的输入线 根，接上键盘，右边的输出线 个发光管组成一个数字 8。通过逻辑门电路的巧妙安排，键盘就可以控制发光管的发亮顺序。

　　如果你想进行 1+1 的加法运算，其电路的复杂程度就已经超过了 99% 的人的智商了，即便老师我亲自出手，设计的电路运算能力也抵不过一副算盘。

　　直到有一天，有人用 18000 只电子管，6000 个开关，7000 只电阻，10000 只电容，50 万条导线组成了一个超级复杂的电路，诞生了人类第一台计算机。

　　重量呢，挺重的，足足 30 吨，运算能力呢，只有 5000 次每秒，这速度还不及现在手持计算器的十分之一。即便如此，当时的工程师为了安装这堆电路，不知道脑子被搞抽筋了多少回。

　　接下来的思路就相对简单了，把这 30 吨的庞然大物，集成到指甲那么大的地方上去。做成了，它就变成了我们现在说的的芯片。

　　芯片，原料是地球上储量最丰富、最廉价的沙子，也就是二氧化硅，但它的出现，成就了咱们这个星球的科技之巅，b体育从沙子到芯片，最佳逆袭奖颁给它，那可是实至名归！

　　后来，为了把 30 吨的运算电路体积缩小，聪明的工程师们把能扔的东西全扔了，直接在硅片上制作 PN 结和电路。多么的神奇呀！

　　把硅石氯化之后再蒸馏，我们可以得到纯度很高的硅。不过这种硅原子排列混乱，会影响电子运动，我们叫它多晶硅吧。

　　硅的主要评判指标是纯度，你想想，如果硅原子之间有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。

　　无论啥东西，纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求 99.9999%，这玩意儿全世界超过一半是中国产的，早被玩成了白菜价。

　　而芯片用的电子级高纯硅要求 99.999999999%（ 11 个 9），目前我国几乎全部都需要进口，直到 2018 年江苏的鑫华公司实现了量产，鼓掌!只是目前产量少得可怜，还不及进口的一个零头。

　　不过,鑫华的高纯硅出口到了韩国这个半导体强国，所以他们的品质应该是很不错的。先别高兴，再来一盆冷水，目前他们 30% 的制造设备还得进口。

　　电子级高纯硅的传统霸主依然是德国 Wacker 和美国 Hemlock（美日合资），中国还有很长的路要走。

　　切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的地方呢叫做「晶圆厂」。

　　难道是原子操纵术？想多了，朋友！这可不是修仙，哪怕你到练成御剑飞行，元婴大成，人类还不见得能操纵一个一个原子来组成各种器件呢。

　　首先我们在晶圆上要涂一层感光材料，这种材料见光就融化，那光从哪里来？当然是光刻机了，光刻机可以用非常精细的光线，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆出来。

　　然后，用等离子体这类东西进行冲刷，部分的晶圆就会被刻出很多沟槽。这套设备就叫刻蚀机。然后，我们再用离子注入机在刻出来的沟槽里掺入磷元素，加热退火处理，就得到了一堆 N 型半导体。

　　完成之后，把晶圆清洗干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻图，用刻蚀机刻上沟槽，再用离子注入机撒上硼元素，当当，咱们就有了 P 型半导体。

　　大家肯定看到过晶圆的图片。一块晶圆上的一个个排列整齐的小方块就是芯片。一块晶圆可以做很多个芯片。

　　芯片放大了看就是成堆成堆的电路，这些电路其最底层都是简单的门电路。他们并不比那台 30 吨重的计算机的电路更高明，但是由于采用了更多的器件，组成了更庞大的电路，其运算性能自然就提高了。

　　在这里有些同学可能会有个疑问：为什么不把芯片做的更大一点呢？这样不就可以安装更多电路了吗？性能不就赶上外国了嘛？

　　我们来算个账，比如说，7nm 工艺可以在 1 平方厘米的面积上安装 100 亿个晶体管，而 10nm 工艺大约是 50 亿个，所以这笔账就很简单了。

　　芯片越小，一张晶圆能切出的芯片就越多，价格自然更划算，在市场上就能死死摁住竞争对手，赚了钱又可以做更多研发，差距就这么拉开了。那你说，咱们芯片是要做大还是做小？

　　这里说个题外话，中国军用芯片基本实现了自给自足，而且性能杠杠的，因为军用不计较钱嘛！

　　可以把芯片做的比较大的。另外，越大的硅片遇到杂质的概率越大，所以芯片越大良品率越低。总的来说，大芯片的成本远远高于小芯片，不过对军方来说，这些统统都不叫事儿。

　　除了成本之外，大芯片的布线比小芯片更长，所以延时也更明显，驱动电流也大 很多，这会导致整体设计更臃肿，性能上还是会吃亏。反正，小芯片就是比大芯片好用。

　　用 70 亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路，想想就头皮发麻！一个路口红绿灯设置不合理，就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去，稍微有个 PN 结出问题，电子同样会堵车。所以芯片的设计异常重要，重要到了和材料技术相提并论的地步。

　　这么复杂的设计，必须得先有个章法。七十年代，英特尔率先想出了一个好办法：X86 架构。详细内容不提了，简单来说，这架构虽然能耗高点b体育、体积大点，但性能那是嗖嗖的，几乎垄断了电脑芯片市场，成就了如日中天的英特尔。

　　这相当于，英特尔提出造汽车用 4 个轮子，以后其他人想造 4 个轮子的汽车，就得先付授权费。这尼玛怎么忍，随后英国 ARM 公司提出了 2 个轮子的汽车方案：ARM 架构。

　　毫无疑问，2 个轮子肯定跑不过 4 个轮子，ARM 架构虽然省电小巧，但性能实在有点寒碜，于是一直被英特尔摁着打。ARM 熬到了九十年代，终于熬不住了，决定不再生产芯片，而是将 ARM 架构授权给其他公司生产，赚点授权费，这才保住了一条命。

　　半导体是一类材料的总称，集成电路是用半导体材料制成的电路的大型集合，芯片是由不同种类型的集成电路或者单一类型集成电路形成的产品。

　　对应成大家好理解的日常用品，半导体各种做纸的纤维，集成电路是一沓子纸，芯片是书或者本子。

　　3.在书或者本子中间使用彩印，铜版纸等方法，让书或者本子有更好的使用体验。

　　半导体指常温下导电性能介于导体绝缘体之间的材料。常见的半导体材料有硅锗砷化镓等，硅是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。

　　与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

　　半导体主要由四个组成部分组成：集成电路（integrated circuit），光电器件，分立器件，传感器，由于集成电路又占了器件80%以上的份额，因此通常将半导体和集成电路等价。

　　集成电路按照产品种类又主要分为四大类：微处理器，存储器，逻辑器件，模拟器件。通常我们统称他们为芯片。

　　集成电路可以把模拟和数字电路集成在一个单芯片上，以做出如模拟数字转换器和数字模拟转换器等器件。这种电路提供更小的尺寸和更低的成本。

　　通常我们所说的芯片都是我们所看见的手指甲大小的黑盒子，这种都是封装好的，如图：

　　芯片、半导体和集成电路这三个概念常常被混为一谈，事实上它们的概念并不相同。

　　首先，为了证明这个回答不是ChatGPT写的，我们先看看ChatGPT怎么回答：

　　ChatGPT告诉我们，半导体是一种介于导体与绝缘体之间的材料，这种材料常用来制造电子器件。芯片就是电子器件，而集成电路就是由电子元件组合成的电路系统。注意！目前也有部分芯片不是半导体材料制成的哦，例如DNA Chip。

　　UU们发现没？ChatGPT还会玩点比喻！那我们跟它再问个有意思的问题。

　　“原料”，“小吃点心”和“丰富的大餐”……ChatGPT虽然不懂幽默，但看来它是懂做饭的 。

　　如果只是区别这三个概念，ChatGPT的回答其实已经足够了。如果还想展开了解半导体、集成电路和芯片到底是什么玩意儿，以及在具体的语境中该如何理解和区分它们。欢迎继续往下看看。

　　首先，通常半导体可以是指一种介于导体和绝缘体之间的材料，这种材料通常用作制造电子器件。需要注意的是，半导体本身不导电，是需要掺杂其他材料之后才可以导电的。随着人类对电子器件的要求日益多样化，半导体材料也在不断进化迭代，如今已经发展到第三代，第一代半导体主要是硅和锗，第二代的代表手砷化镓，第三代的代表是碳化硅和氮化镓，每一代都有适合的应用场景，都有自己的生存空间。

　　如果和书本做比较，半导体相当于纤维，芯片相当于纸张，集成电路相当于书本。纤维是制造书本和纸张的材料，而纸张的堆叠可以成为一本书。

　　与之对应的，纤维也是经常用来制造纸张也书本的材料，而在不同的场景下，对造纸材料也有不同的要求，例如草稿纸和课本所需制造材料就有优劣之分。

　　集成电路，顾名思义就是将各种电子元器件集成在一起，哪怕只有两个二极管集成在一起都可以被叫做集成电路，是一种电子电路。

　　半导体晶体管就是现代电子技术的基石，在电子器件中半导体无处不在。芯片和集成电路都是电子器件，都有数字芯片（集成电路）和模拟芯片（集成电路）之分，我们常说的处理器和存储器都被包含在内。

　　既然前面说了，处理器和存储器等既可以被称之为芯片又可以被称之为集成电路，那这不就表明这两者含义差不多嘛～无论是芯片还是集成电路，都是将电阻、电容、二极管、三极管等等之类的电子元器件集成连接在一起，不同的组合实现不同的功能。

　　所以某种程度上，可以说芯片约等同于集成电路，不过芯片自身也可以按功能不同分为数字芯片和模拟芯片，我们常提及的CPU、GPU、MCU、以及一些存储器都属于数字芯片（Chat GPT所用到的英伟达A100 GPU，也属于数字芯片），电源管理芯片、射频芯片、放大器、滤波器都被归类为模拟芯片。

　　如果非要将芯片和集成电路做一个区分的话，将如同纸张的芯片连接在一起可以被视为集成电路之书。另外，二者在制造流程上也会有一些区别，芯片是硅晶圆经过光刻、蚀刻等技术制造而成，而集成电路则是将一些元器件互连起来，前者强调器件，后者强调电路。这三个词汇在实际使用中，我们似乎可以这样总结：半导体集成电路≈芯片。

　　剖析开来解释看得你有点晕？放心，请ChatGPT用“芯片”半导体、“半导体”和“集成电路”这三个词造的这个句子相信可以帮助大家轻松记住这三个概念的关系。

　　这个问题太适合我了，我一直以第一句话介绍我自己，这句话同时也包含了这三个关键词。

　　半导体（ semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。

　　1.材料的划分：半导体材料有很多，根据化学成分可以分为两类：元素半导体和化合物半导体，最常用的元素半导体是锗和硅。化合物包括类和类化合物(砷化镓、磷化镓等。)，和类化合物(硫化镉、硫化锌等)。)，氧化物(锰、铬、铁和铜的氧化物)，以及固溶体(镓铝砷、镓砷磷等。)由-类化合物和-类化合物组成。除了上述晶体半导体，还有非晶玻璃半导体和有机半导体。

　　2.制造技术分为：集成电路器件、分立器件、光电半导体、逻辑ic、模拟ic、存储器等。一般来说，这些也分为小类。

　　此外，还有基于应用领域和设计方法的分类方法，这些方法并不常用，而是根据IC、LSI、VLSI(超大规模集成电路)及其规模进行分类。此外，根据它处理的信号，它可以分为模拟，数字，模拟数字混合和功能。

　　3.广义分类：广义来说，半导体分为四个主要产品类别：微处理器、商品集成电路、复杂SOC和存储器。

　　(1)内存：内存芯片充当数据的临时仓库半导体，在计算机设备的大脑之间传递信息。内存市场的整合仍在继续，将内存价格推至如此低的水平，只有东芝，三星和NEC等少数巨头能够承受。

　　(2)微处理器：这些是中央处理器，包含执行任务的基本逻辑。英特尔在微处理器领域的主导地位迫使几乎所有其他竞争对手(超微除外)退出主流市场，进入更小的细分市场或完全不同的领域。

　　，为常规加工而大量生产。这个细分市场由亚洲，的大型芯片制造商主导，利润很小，所以只有最大的半导体公司才能竞争。

　　(4)复杂SOC:“片上系统”本质上是打造具有整个系统功能的集成电路芯片。市场围绕着对具有新功能和更低价格的消费品的需求不断增长。随着存储器、微处理器和商品集成电路市场的关闭，SOC细分市场无疑是唯一一个有足够机会吸引众多公司的市场。

　　集成电路（Integrated Circuit，IC）是一种微型电子器件或部件。集成电路是采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起，制作 在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一起，成为具有所需电路功能的器件。主要有以下4种分法：

　　按使用功能主要分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。

　　按结构不同可分为单极型和双极型电路，单极型电路有JFET、NMOS、PMOS、CMOS四种，双极型电路有DTL、TTL、ECL、HTL等。数字集成电路中最常用的主要有TTL和CMOS两大系列。双极型三极管—三极管集成电路，简称TTL电路，是一种性能优良的集成门电路，其开关速度快、抗干扰能力强、负载能力强，因此应用也最广泛。CMOS集成电路以单极型晶体管为基本元件制成，是互补金属氧化物半导体集成电路的简称。由于CMOS电路功耗低、电源电压范围宽（3～18V）、抗干扰 能力强、输入阻抗高、扇出能力强、温度稳定性好、成本低等，故应用范围极广，尤其是其制造工艺简单，为大量生产提供了方便。

　　按制作工艺分类主要有膜集成电路和混合集成电路两大类别。其中，膜集成电路又分为厚膜集成电路（1～10（tm）和薄膜集成电路（小于1 gm）。膜集成电路和混合集成电路一般用于专用集成电路，通常称为模块，简称集成电路（IC）。

　　集成度是指一个硅片上含有元器件的数目，按集成度分主要有小规模、中规模、大规模及超大规模集成电路等。

　　芯片，又称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip），是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片（chip）就是半导体元件产品的统称，是集成电路（IC， integrated circuit）的载体，由晶圆分割而成。所以，芯片是很具象的物品，一般也就是是指你肉眼能够看到的长满了很多小脚的或者脚看不到，但是很明显的方形的那块东西。集成电路是经过各种设备工艺加工起来的过程，形成芯片。所以某种意义上说芯片和集成电路可以等同。

　　我们一般也都是说半导体行业，而不是芯片（集成电路）行业，所以从某种意义上说半导体集成电路=芯片。普遍意义上，三种可以理解为一回事。