從4004到core i7——處理器的進(jìn)化史-CPU構(gòu)成零件-1

　　在下面的兩個帖子當(dāng)中，我將簡短地介紹構(gòu)成CPU的零件，一種晶體管。我將展示如何完成最簡單的設(shè)計(jì)，這相當(dāng)于IC設(shè)計(jì)中的Hello world，并且略微提到Hello world的幾種變體。

　　為了防止下面的內(nèi)容顯得突兀，再鋪墊一點(diǎn)最最基礎(chǔ)的半導(dǎo)體知識。

　　硅是地殼中含量第二大的元素。

　　湊巧的是，它處于金屬、非金屬分界線上。這也就是說，它的導(dǎo)電能力介于純粹的導(dǎo)體和純粹的絕緣體之間。

　　最純凈的單晶硅(純度超過99.9999%)略微導(dǎo)電，導(dǎo)電性主要受溫度控制。這就是本征半導(dǎo)體。

　　硅有4個價(jià)電子。這就意味著，如果我們摻入3價(jià)元素，例如硼，就會有一個空穴;如果我們摻入5價(jià)元素，比如磷，就會多出一個價(jià)電子。也就是說，我們可以造出P型和N型半導(dǎo)體。其中P=positive,N=negative，說的是其中自由移動的帶電粒子的電荷性。更加湊巧的是，摻雜的濃度可以控制其中帶電粒子的濃度(溫度的影響相對雜質(zhì)而言較小)，進(jìn)而控制其電導(dǎo)率。

　　將P性和N性的材料接觸便會形成PN結(jié)。我在此不會涉及PN結(jié)的詳細(xì)解釋，那需要用到能帶理論。僅僅知道PN結(jié)在P->N的足夠大的外電場(>0.7V典型值)下可以認(rèn)為短路，在N->P的外電場下可以認(rèn)為斷路就足夠了。

　　現(xiàn)在我們有了可以自由控制硅片上某一區(qū)域?qū)щ娦缘姆椒ǎ€知道了怎樣制造一個最簡單的電流的單向閥——PN結(jié)。這兩個事實(shí)是一切半導(dǎo)體IC的基石。

　　現(xiàn)在我們請出我們的磚瓦：為了給它一個隆重的登場，我另起一行，它就是：

　　金屬——氧化物——半導(dǎo)體 場效應(yīng) 晶體管

　　Metal - Oxide - Semiconductor Field-Effect Transistor

　　肯定有不少人見到它的昵稱——MOSFET，或者干脆簡稱MOS管。

　　下面發(fā)一張MOS管的靚照：

　　再來一張生理結(jié)構(gòu)圖