芯片原理和量子力学

不少文盲以为量子力学只是一个数学游戏，没有应用价值，呵呵，下面咱给计算机芯片寻个祖宗，请看示范：


导体，咱能理解，绝缘体，咱也能理解，小盆友们第一次被物理整懵的，怕是半导体了，因此先替各位的物理老师把这债还上。


原子组成固体时，会有不少相同的电子混到一块儿，但量子力学认为，2个相同电子无法待在一个轨道上，因而，为了让这些电子不在一个轨道上打架，不少轨道就分裂成了好几个轨道，这么多轨道挤在一块儿，不当心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。这种由不少细轨道挤在一块儿变成的宽轨道就叫能带。


有些宽轨道挤满了电子，电子就无法移动，有些宽轨道空旷的很，电子就可自由移动。电子能移动，宏观上表现为导电，反过来，电子动不了就不能导电。


好了，咱们把事情说得简单一点，不提“价带、满带、禁带、导带”的概念，准备圈重点！


有些满轨道和空轨道挨的太近，电子能够绝不费力从满轨道跑到空轨道上，因而就能自由移动，这就是导体。一价金属的导电原理稍有不一样。


但不少时候两条宽轨道之间是有空隙的，电子单靠本身是跨不过去的，也就不导电了。但若是空隙的宽度在5ev以内，给电子加个额外能量，也能跨到空轨道上，跨过去就能自由移动，也就是导电。这种空隙宽度不超过5ev的固体，有时能导电有时不能导电，因此叫半导体。


若是空隙超过5ev，那基本就得歇菜，正常状况下电子是跨不过去的，这就是绝缘体。固然，若是是能量足够大的话，别说5ev的空隙，50ev都照样跑过去，好比高压电击穿空气。


到这，由量子力学发展出的能带理论就差很少成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，即，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。

半导体离芯片原理还很遥远，别急。


很明显，像导体这种直男没啥可折腾的，因此导线到了今天仍然是铜线，技术上没有任何进展，绝缘体的命运也差很少。


半导体这种暧暧昧昧的性格最容易搞事情，因此与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业，如芯片、雷达。

下面有点烧脑细胞。


基于一些简单的缘由，科学家用硅做为半导体的基础材料。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，用10个硼原子取代其中10个硅原子，而硼这类三价元素外层只有3个电子，因此这块固体的满轨道就有了10个空位。这就至关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。这叫P型半导体。


同理，若是用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，所以满轨道上反而又多出了10个电子。至关于挤满人的公交车外面又挂了10我的，这些人很是容易脱离公交车，这叫N型半导体。


如今把PN这两种半导体面对面放一块儿会咋样？不用想也知道，N型那些额外的电子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的“PN结”。(动图来自《科学网》张云的博文)

 

若是加个反向的电压呢？从P型半导体那里再抽电子到N型半导体，而N型早已挂满了额外的电子，多出来的电子不断加强电场，直至抵消外加的电压，电子就再也不继续移动，此时PN结就是不导电的。

 

固然，实际上仍是会有微弱的电子移动，但和正向电流相比可忽略不计。

若是你已经被整晕了，不要紧，用大白话总结一下：PN结具备单向导电性。


好了，咱们如今已经有了单向导电的PN结，而后呢？把PN结两端接上导线，就是二极管：

有了二极管，随手搭个电路：




三角形表明二极管，箭头方向表示电流可经过的方向，AB是输入端，F是输出端。若是A不加电压，电流就会顺着A那条线流出，F端就没了电压；若是AB同时加电压，电流就会被堵在二极管的另外一头，F端也就有了电压。假设把有电压看做1，没电压看做0，那么只有从AB端同时输入1，F端才会输出1，这就是“与门电路”，

 

同理，把电路改为这样，那么只要AB有一个输入1，F端就会输出1，这叫“或门电路”：

 

如今有了这些基本的逻辑门电路，离芯片就不远了。你能够设计出一种电路，它的功能是，把一串1和0，变成另外一串1和0。


简单举个例子，给第二个和第四个输入端加电压，至关于输出0101，通过特定的电路，输出端能够变成1010，即第一个和第三个输出端有电压。

 

咱们来玩个稍微复杂一点的局：






左边有8个输入端，右边有7个输出端，每一个输出端对应一个发光管。从左边输入一串信号：00000101，通过中间一堆的电路，使得右边输出另外一串信号：1011011。1表明有电压，0表明无电压，有电压就能够点亮对应的发光管，即7个发光管点亮了5个，因而，就获得了一个数字“5”，如上图所示。

终于，咱们已经搞定了数字是如何显示的！若是你想进行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，即使本僧亲自出手，设计电路的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，重达30吨，运算能力5000次/秒，还不及如今手持计算器的十分之一。不知道当时的工程师为了安装这堆电路，脑子抽筋了多少回。