芯片原理
-流年剪影
芯片原理
1.
芯片为什么要采用
CMOS:
CMO
S
，
C
：是互补的意思
complementary
，是指采用
NMOS
和
PMOS
管形成一个组合
实现一个开关功能。也就是最小单元由至少两个
MOS
管组成。
MO
：是金属氧化物的意思
，是指
MOS
管的
G
< br>极的材质是金属氧化物的
上图中
，如果采用图
A
所示，则有
Ic
这个电流，如果
R
很大，那么
V
o
的驱动能力就很
弱，会造
成芯片的反应速度很慢，如果
R
很小，则在
MOS
管开通时，电流
Ic
非常大
，因
此，这样的电路是没法应用于芯片的，经初步计算，如果采用图
A
所示的电路，要达到一
定的处理速度，那么其功耗是
100kW
级别的，而采用图
B
的互补型（
N
和
P
型对称布置）
，
则
V
i
高电平时上管关闭，下管开启，低电平时则相反，这样就不存在电流，那么为什么芯<
/p>
片还是有很大的功耗呢，
这就是
MOS<
/p>
管的结电容引起的，
因为
G
极就是一个电容效应。
充
放电虽然对于一个
MOS
管来说是很小的功耗，
但是芯片的晶体管
数量非常多，
如一个
CMOS
开关为<
/p>
1uW
，那么
1000
< br>万个呢就是
100W
。
芯片的功耗基本可以这样理解：
P = N * C* f *
V
2
N
：晶体管个数，
< br>C
：
MOS
管及其他引起的电容
，
f
为频率、
V
为电压
当频率很高时，为了降低功耗，现在芯片的工作电压一直在降
低，如从
3V
降低到
1V
，
那么功耗降低了
9
倍，<
/p>
如果通过改善晶体管结构和线路结构，
能减少电容
C
，
那么也可以降
低芯片功耗
。
<
/p>
注意：我们在设计单片机电路时，经常性地采用如图
A
所示的下拉（或上拉）电阻形式，
一般我们的被驱动电路的功耗是比较大的
，因此经常会忽略该电路引起的功耗问题。
2.
芯片制作
芯片就如多层电路板，最低
层为晶体管，然后往上几层就是连线（罗辑）
。
切开一
个晶片的小块，其中上层的导线连接就如这样，就如多层电路板，是一个
三维连接体，导
线之间会引起电容和信号干扰，而弯弯曲曲的导线，也会引起电感。
第一步：制作晶圆。
晶圆现在一般为
8
< br>寸、
12
寸、
20
寸等。
晶圆本
身进行参杂，形成
P
型，或
N
型衬底。也就是基板。
晶圆的制作过程，在网上有很多视频。
第二步：在晶圆上进行杂质注射，这里就需要模板。
模板中的孔，就是要变成
PNP
型
MOS
管的位置，这是在芯片设计时就已
经决定
了的，由芯片的晶体管的布局决定。
< br>第三步，再在已经布局好的
P
和
N
基底上，注入杂质，形成
N
和
P
型半导体，这就是
MOS
< br>管的
S
（源）极和
D
（漏）极形成的过程。
要分两步：第一步注入<
/p>
N
型杂质，然后换模板注入
P
型杂质。