晶元、半導體、晶體管之間的關係？

01-02

看到晶元的部是很明白，說什麼晶體管、電阻、電容通過聯線，刻在晶圓上，最後封裝，就成為一個晶元了。是說晶體管跟做PCB一樣刻蝕在晶圓上嗎？啥意思吖

跟做PCB其實也差不多，一樓說的有點問題，其實電阻電容電感都是可以做的。

複雜的就不說了，簡單來說可以這樣分開來看。

先說半導體

半導體說的是硅單質，工廠把硅提純以後變成一個圓盤，稱為晶元（wafer）。PS：我記得那些無腦修真小說都是能吃晶元長功力的，是不是去吃一塊，這一塊很貴。

晶體管

學過模電的都知道，MOS管通過各種離子注入而產生的。那麼工廠通過各種離子注入到晶元wafer裡面，就可以在晶片上形成一個MOS管。

電阻

電阻公式都知道是R正比於長度L，反比於寬度S，那麼在晶元上做電阻就很簡單了。隨便能在晶元上出現的東西，做成一個長方形，就是一個電阻咯。所以在晶元上，電阻有非常多的種類可以選。金屬電阻,POLY電阻等，它們精度不同，電阻的數量級也不同。

電容

兩個極板平行放置就能構成電容，所以這個也很容易做。一些寄生電容效應，甚至MOS管都是能做等效電容的。

電感

電感也是可以做的，不過有一個問題，做電感太耗版圖面積，而現在流片（就是把做好的電路版圖給工廠加工出來）非常貴，所以設計師只能妥協，把電感做到片外，或者想起他辦法。如果非要做進去，第二天會被老闆請去和咖啡？

器件之間的連接

用金屬連接，整個晶元會有多層金屬。

封裝

用塑料把整個刻好的包括硅，注入的離子，金屬等等等，包起來，引出輸入輸出引腳。就是看到的晶元了。

半導體是個大概念，包括半導體產品、半導體原料、半導體設備等，從狹義上來理解，看做晶元的基材好了，Si，晶元是產品，晶體管是晶元里的器件，電阻、電容也是晶元里的器件，都可以集成在晶元裡邊。

半導體（semiconductor)是一種材料，最常見的就是硅（silicon），砷化鎵（GaAs）等（也有人把半導體引申為整個基於半導體的產業以及產品，那就另說了）。

晶體管（transistor）是使用半導體材料製造的通過一個量（電流或者電壓，也就是場效應）控制另外一個量（電流或者電壓）的元件，晶體管和電阻電容電感等無源（passive）器件的區別在於其通過一個埠控制另外一個埠，所以輸入輸出時分開的（二極體diode和無源器件都是同一個埠上的兩個量之間相互相關）。

晶元（chip）是在一塊半導體晶圓（wafer）上集成了很多晶體管，二極體以及其他無源器件的元件。製造工藝不是只有刻蝕，典型的工藝包括光刻（lithography），刻蝕（etching），澱積（deposition）,熱氧化（thermo-oxidation）等。在晶圓上完成了以上步驟之後還要測試劃片封裝，最後才是大家常看到的黑黑的塑料晶元。

當年Jack Kilby和Robert Noyce發明第一個集成電路時，Jack只是把晶體管做在了一個很小的wafer上，Robert將連線做成了平面化，所以最初集成電路的兩個核心專利分別給了這兩人，後來Jack因為這個和Herbert Kroemer以及Zhores Alferov拿了諾貝爾獎，Robert死的早了點，不然也能拿獎

晶體管,電阻等你看似很大,其實額定電流在500mA以下的三極體,MOS管,什麼的有用部分都是很小很小一部分,其他地方都是塑封和引腳.

如果把這些晶體管什麼的去掉塑封部分,全部集成在晶元中,就是你說的刻蝕在晶圓上.

另外,電阻一般在晶元內是以晶體管的形式存在的.

而電容,貌似不能集成在晶元上吧.

晶元的製作跟PCB還是不太一樣的，PCB上的器件都是分立的，材料各異，PCB的走線把他們連接起來，而晶元的材料相對就比較少，電阻電容甚至電杆都是用相似的材料製作的。

這個視頻是intel的一個廣告，大概描述了晶元的製作過程。從沙子到晶元，Intel英特爾處理器製作過程

youtube高清版：https://www.youtube.com/watch?v=aCOyq4YzBtY

關於晶元里電阻電容的存在形式的問題，我可以提供一些參考。電感在我所學的領域還沒有用到過，但是在RF電路里很常見，我就不提了。

首先是電容，電路需要用到電容的地方實在是非常多，小的電容是可以在晶元內部，原理和MOS管的寄生電容的存在原理相同，本質上就是通過把不同層級不同材料之間的寄生電容的面積放大到你需要的值。

這是不同種類的電容，其實就是用不同的材料去做，本質上都是一樣的：

然後是電阻。電阻的實現和電容其實是很類似的，都是用到材料本身的電阻特性。（這裡只說電阻本身，實現電阻的其他方式也很多，比如開關電容可以實現非常大的電阻，MOS管結構本身就可以作為可控電阻等等，這些都不作討論）

這是不同材料作為電阻的特性表：

當需要用到稍大的電阻的時候，就要用到這種蛇形結構：

我找了一下以前的實驗報告發現有個例子：

這是直接在cadence里截的圖，這是一個bandgap電路的版圖，裡面大面積的紅色區域就是電阻，就是一根一根像上面那樣蛇形擺放的poly（擠在一起看不清了而已）。在模電畫版圖的時候，電阻電容都是有template的。比如在這個bandgap的版圖裡，一小根這種蛇形poly的阻值是1K歐姆。需要用的時候直接調用這個template就行了。

需要強調的是，直接用在集成電路里的電容和電阻器件的誤差非常大！這個誤差來自很多方面，工藝的限制（尺寸越小，工藝越先進，誤差越嚴重），器件的擺放，最主要還有PVT的影響。因此在電路設計上，永遠不要依賴這些器件絕對的數值，這個PCB設計的原則是完全不一樣的。為了消除PVT的影響（這個影響實在是太大了，有的器件的誤差能達到100%），在設計電路時，用到電阻電容器件，一律是必須ratio-based。這裡舉兩個例子說明一下什麼叫ratio-based：

第一個是constant-gm-biased amplifier：

左邊是一個最最簡單的放大器結構，右邊是經過constant-gm電路偏置過的放大器。

對於左邊這個放大器的增益可以寫成：

$frac{v_{o} }{v_{i}} =r_{0}sqrt{2eta I}$

而右邊這個放大器的增益表示為：

$frac{v_{o} }{v_{i}} =frac{r_{0}}{r_{1}} sqrt{frac{eta}{eta _{1}} }$

還比較直觀吧。左邊的放大器的增益是建立在兩個獨立參數R和貝塔上的。這兩個參數在PVT的影響下誤差巨大，而右邊的電路的增益變成了兩個參數的比值，而PVT對相同參數的影響趨勢是相同的。相同參數的比值基本不受PVT的影響。

第二個例子是switched-cap：

左邊是最簡單的積分器結構，右邊是用開關電容實現的積分器。對於左邊的記分器來說，它的特徵頻率可以表示為：

$omega _{0}=1/(RC)$

而右邊的特徵頻率可以表示為：

$omega _{0}=frac{1}{T} frac{C_{1}}{C}$

如果是左邊的結構，在不同的PVT條件下，晶元里的R和C的數值是完全不受控制的，這樣一來這個電路就沒有任何意義，而右邊的電路使用開關電容代替了R。表達式里出現的是兩個C的比值，由於PVT對兩個C的影響趨勢是相同的，比例也想通，因此右邊的特徵頻率就會非常穩定而基本不受PVT的影響。這就是ratio-based design的基本思路。

雖然如此，電路中還是有必須要用到絕對電阻電容作為參考值的時候。這個時候就必須把這個電容電阻放在晶元外面了，也就是PCB上了，所以有時候就出現晶元兩根引腳之間規定接一個電阻或者電容的情況。

半導體製成晶體管，晶體管組成晶元。