半导体在电路中起什么作用（一位电子工程师解释了这些关键电子元件的工作原理）

半导体是几乎所有现代电子设备的重要组成部分，绝大多数半导体都是在台湾制造的。人们越来越担心半导体对台湾的依赖——尤其是考虑到台湾与中国大陆之间的脆弱关系——导致美国国会于 2022 年 7 月下旬通过了 CHIPS 和科学法案。该法案提供了超过 500 亿美元的补贴来推动美国半导体的发展生产并被广泛报道在新闻中。研究半导体的电气工程师Trevor Thornton解释了这些设备是什么以及它们是如何制造的。

薄而圆的硅晶体切片，称为晶圆，是大多数半导体芯片的起点。Hebbe/维基共享资源

1、什么是半导体？

一般而言，半导体一词指的是一种材料（如硅），其导电性能比玻璃等绝缘体好得多，但不如铜或铝等金属。但是今天当人们谈论半导体时，通常指的是半导体芯片。

这些芯片通常由硅薄片制成，复杂的组件以特定的模式布置在它们上面。这些模式使用电子开关（称为晶体管）控制电流流动，其方式与您通过拨动开关打开电灯来控制家中电流的方式大致相同。

你的房子和半导体芯片之间的区别在于，半导体开关完全是电气的——没有机械部件可以翻转——而且芯片包含数百亿个开关，面积不比指甲大多少。

2. 半导体有什么作用？

半导体是电子设备处理、存储和接收信息的方式。例如，存储芯片将数据和软件存储为二进制代码，数字芯片根据软件指令处理数据，无线芯片从高频无线电发射器接收数据并将其转换为电信号。这些不同的芯片在软件的控制下协同工作。不同的软件应用程序执行非常不同的任务，但它们都通过切换控制电流的晶体管来工作。

这张半导体芯片示意图显示了许多不同颜色的不同材料，以及生产现代芯片所涉及的复杂分层。Cepheiden/维基共享资源，CC BY

3. 如何构建半导体芯片？

绝大多数半导体的起点是称为晶圆的硅薄片。今天的晶圆有餐盘那么大，由单晶硅切割而成。制造商在硅表面的薄层中添加磷和硼等元素，以提高芯片的导电性。正是在这个表面层中制作了晶体管开关。

这些晶体管是通过在整个晶圆上添加导电金属、绝缘体和更多硅的薄层，使用称为光刻的复杂工艺在这些层上勾勒出图案，然后使用计算机控制的高活性气体等离子体选择性地去除这些层来制造的具体的模式和结构。由于晶体管非常小，因此在层中添加材料然后小心去除不需要的材料比将微细的金属线或绝缘体直接放置在芯片上要容易得多。通过对不同材料层进行数十次沉积、图案化和蚀刻，半导体制造商可以制造出每平方英寸具有数百亿个晶体管的芯片。

4. 今天的芯片与早期的芯片有何不同？

差异有很多，但最重要的可能是每个芯片晶体管数量的增加。

半导体芯片最早的商业应用之一是袖珍计算器，它在 1970 年代开始广泛使用。这些早期的芯片包含几千个晶体管。1989 年，英特尔推出了第一个在单个芯片上超过一百万个晶体管的半导体。今天，最大的芯片包含超过 500 亿个晶体管。这种趋势由所谓的摩尔定律描述，该定律表明芯片上的晶体管数量大约每 18 个月翻一番。

摩尔定律已经持续了五年。但近年来，半导体行业不得不克服重大挑战——主要是如何继续缩小晶体管的尺寸——以延续这种进步的步伐。

一种解决方案是从平坦的二维层切换到三维分层，并在表面上方突出硅的鳍状脊。这些 3D 芯片显着增加了芯片上的晶体管数量，现在已得到广泛使用，但它们的制造难度也大得多。

5. 更复杂的芯片是否需要更精密的工厂？

简单地说，是的，芯片越复杂，工厂就越复杂——成本也更高。

曾经有一段时间，几乎每家美国半导体公司都建立并维护自己的工厂。但是今天，建造一个新的代工厂可能要花费超过 100 亿美元。只有最大的公司才能负担得起这种投资。相反，大多数半导体公司将他们的设计发送给独立的代工厂进行制造。台积电和总部位于纽约的 GlobalFoundries 是为其他公司制造芯片的跨国代工厂的两个例子。他们拥有专业知识和规模经济，可以投资于生产下一代半导体所需的极其昂贵的技术。

具有讽刺意味的是，虽然晶体管和半导体芯片是在美国发明的，但目前在美国本土还没有最先进的半导体代工厂。美国曾在 1980 年代出现过，当时人们担心日本会主导全球存储器业务。但随着新通过的 CHIPS 法案，国会为在美国制造下一代半导体提供了激励和机会

也许你的下一代 iPhone 中的芯片将“由 Apple 在加利福尼亚州设计，在美国制造”。