芯片中的晶体管是个什么鬼？

　　晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关（如Relay、switch）不同，晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可100GHz以上。
　　指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。
　　广义上，只要是使用微细加工手段制造出来的半导体片子，都可以叫做芯片，里面并不一定有电路。比如半导体光源芯片；比如机械芯片，如MEMS陀螺仪；或者生物芯片如DNA芯片。在通讯与信息技术中，当把范围局限到硅集成电路时，芯片和集成电路的交集就是在＂硅晶片上的电路＂上。芯片组，则是一系列相互关联的芯片组合，它们相互依赖，组合在一起能发挥更大的作用，比如计算机里面的处理器和南北桥芯片组，手机里面的射频、基带和电源管理芯片组。
　　以下这篇文章和你一起学习，《芯片里面的几千万的晶体管是怎么装进去的？》，来自网摘。
　　要想造个芯片, 首先, 你得画出来一个长这样的玩意儿给Foundry (外包的晶圆制造公司)
　　(此处担心有版权问题… 毕竟我也是拿别人钱干活的苦逼phd… 就不放全电路图了… 大家看看就好， 望理解！）
　　再放大...
　　我们终于看到一个门电路啦! 这是一个NAND Gate(与非门), 大概是这样:
　　A, B 是输入, Y是输出.
　　其中蓝色的是金属1层, 绿色是金属2层, 紫色是金属3层, 粉色是金属4层...
　　那晶体管(更正, 题主的＂晶体管＂ 自199X年以后已经主要是 MOSFET, 即场效应管了 ) 呢?
　　仔细看图, 看到里面那些白色的点吗? 那是衬底, 还有一些绿色的边框? 那些是Active Layer (也即掺杂层.)
　　然后Foundry是怎么做的呢? 大体上分为以下几步:
　　首先搞到一块圆圆的硅晶圆, (就是一大块晶体硅, 打磨的很光滑, 一般是圆的)
　　图片按照生产步骤排列. 但是步骤总结单独写出.
　　1、湿洗(用各种试剂保持硅晶圆表面没有杂质)
　　2、光刻 (用紫外线透过蒙版照射硅晶圆, 被照到的地方就会容易被洗掉, 没被照到的地方就保持原样. 于是就可以在硅晶圆上面刻出想要的图案. 注意, 此时还没有加入杂质, 依然是一个硅晶圆. )
　　3、 离子注入(在硅晶圆不同的位置加入不同的杂质, 不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应管.)
　　4.1、干蚀刻 (之前用光刻出来的形状有许多其实不是我们需要的,而是为了离子注入而蚀刻的. 现在就要用等离子体把他们洗掉, 或者是一些第一步光刻先不需要刻出来的结构, 这一步进行蚀刻).
　　4.2、湿蚀刻(进一步洗掉, 但是用的是试剂, 所以叫湿蚀刻).--- 以上步骤完成后, 场效应管就已经被做出来啦~ 但是以上步骤一般都不止做一次, 很可能需要反反复复的做, 以达到要求. ---
　　5、等离子冲洗(用较弱的等离子束轰击整个芯片)
　　6、热处理, 其中又分为:
　　6.1、快速热退火 (就是瞬间把整个片子通过大功率灯啥的照到1200摄氏度以上, 然后慢慢地冷却下来, 为了使得注入的离子能更好的被启动以及热氧化)
　　6.2、退火
　　6.3、热氧化 (制造出二氧化硅, 也即场效应管的栅极(gate) )
　　7、化学气相淀积(CVD), 进一步精细处理表面的各种物质
　　8、物理气相淀积 (PVD),类似, 而且可以给敏感部件加coating
　　9、分子束外延 (MBE) 如果需要长单晶的话就需要这个..
　　10、电镀处理
　　11、化学/机械 表面处理然后芯片就差不多了, 接下来还要:
　　12、晶圆测试
　　13、晶圆打磨就可以出厂封装了.我们来一步步看:
　　就可以出厂封装了.我们来一步步看:
　　1、上面是氧化层, 下面是衬底(硅) -- 湿洗
　　2、一般来说, 先对整个衬底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3) 的P型物质(最外层少一个电子), 作为衬底 -- 离子注入
　　3、先加入Photo-resist, 保护住不想被蚀刻的地方 -- 光刻
　　4、上掩膜! (就是那个标注Cr的地方. 中间空的表示没有遮盖, 黑的表示遮住了.) -- 光刻
　　5、紫外线照上去... 下面被照得那一块就被反应了 -- 光刻
　　6、撤去掩膜. -- 光刻
　　7、把暴露出来的氧化层洗掉, 露出硅层(就可以注入离子了) -- 光刻
　　8、把保护层撤去. 这样就得到了一个准备注入的硅片. 这一步会反复在硅片上进行(几十次甚至上百次). -- 光刻
　　9、然后光刻完毕后, 往里面狠狠地插入一块少量(10^14 ~ 10^16 /cm^3) 注入的N型物质就做成了一个N-well (N-井) -- 离子注入
　　10、用干蚀刻把需要P-well的地方也蚀刻出来. 也可以再次使用光刻刻出来. -- 干蚀刻
　　11、上图将P-型半导体上部再次氧化出一层薄薄的二氧化硅. -- 热处理
　　12、用分子束外延处理长出的一层多晶硅， 该层可导电 -- 分子束外延
　　13、进一步的蚀刻, 做出精细的结构. (在退火以及部分CVD) -- 重复3-8光刻 + 湿蚀刻13 进一步的蚀刻, 做出精细的结构. (在退火以及部分CVD) -- 重复3-8光刻 + 湿蚀刻
　　14、再次狠狠地插入大量(10^18 ~ 10^20 / cm^3) 注入的P/N型物质, 此时注意MOSFET已经基本成型. -- 离子注入
　　15、用气相积淀 形成的氮化物层 -- 化学气相积淀
　　16、将氮化物蚀刻出沟道 -- 光刻 + 湿蚀刻
　　17、物理气相积淀长出 金属层 -- 物理气相积淀
　　18、将多余金属层蚀刻. 光刻 + 湿蚀刻重复 17-18 长出每个金属层哦对了... 最开始那个芯片, 大小大约是1.5mm x 0.8mm
　　啊~~ 找到一本关于光刻的书, 更新一下, 之前的回答有谬误..
　　书名: << IC Fabrication Technology >> By BOSE
　　细说一下光刻. 题主问了: 小于头发丝直径的操作会很困难, 所以光刻(比如说100nm)是怎么做的呢?
　　比如说我们要做一个100nm的门电路(90nm technology), 那么实际上是这样的:
　　这层掩膜是第一层, 大概是10倍左右的Die Size有两种方法制作: Emulsion Mask 和 Metal MaskEmulsion Mask:
　　这货分辨率可以达到 2000line / mm (其实挺差劲的... 所以sub-micron ,也即um级别以下的 VLSI不用... )这货分辨率可以达到 2000line / mm (其实挺差劲的... 所以sub-micron ,也即um级别以下的 VLSI不用... )制作方法: 首先: 需要在Rubylith (不会翻译...) 上面刻出一个比想要的掩膜大个20倍的形状 (大概是真正制作尺寸的200倍), 这个形状就可以用激光什么的刻出来, 只需要微米级别的刻度.
　　然后:
　　给!它!照!相! , 相片就是Emulsion Mask! 给!它!照!相! , 相片就是Emulsion Mask! 如果要拍的＂照片＂太大, 也有分区域照的方法. Metal Mask:
　　制作过程: 1、先做一个Emulsion Mask, 然后用Emulsion Mask以及我之前提到的17-18步做Metal Mask! 瞬间有种Recursion的感觉有木有!!!
　　2、Electron beam:
　　大概长这样
　　制作的时候移动的是底下那层. 电子束不移动.
　　就像打印机一样把底下打一遍.
　　好处是精度特别高, 目前大多数高精度的(<100nm技术)都用这个掩膜. 坏处是太慢...
　　做好掩膜后:
　　Feature Size = k*lamda / NA
　　k一般是0.4, 跟制作过程有关; lamda是所用光的波长; NA是从芯片看上去, 放大镜的倍率.
　　以目前的技术水平, 这个公式已经变了, 因为随着Feature Size减小, 透镜的厚度也是一个问题了
　　Feature Size = k * lamda / NA^2
　　恩.. 所以其实掩膜可以做的比芯片大一些. 至于具体制作方法, 一般是用高精度计算机探针 + 激光直接刻板. Photomask(掩膜) 的材料选择一般也比硅晶片更加灵活, 可以采用很容易被激光汽化的材料进行制作.
　　这个光刻的方法绝壁是个黑科技一般的点! 直接把Lamda缩小了一个量级, With no extra cost! 你们说吼不吼啊!
　　Food for Thought: Wikipedia上面关于掩膜的版面给出了这样一幅图, 假设用这样的掩膜最后做出来会是什么形状呢?
　　于是还没有人理Food for thought...
　　附图的步骤在每幅图的下面标注, 一共18步.
　　最终成型大概长这样:
　　其中, 步骤1-15 属于 前端处理 (FEOL), 也即如何做出场效应管
　　步骤16-18 (加上许许多多的重复) 属于后端处理 (BEOL) , 后端处理主要是用来布线. 最开始那个大芯片里面能看到的基本都是布线! 一般一个高度集中的芯片上几乎看不见底层的硅片, 都会被布线遮挡住.
　　SOI (Silicon-on-Insulator) 技术:
　　传统CMOS技术的缺陷在于: 衬底的厚度会影响片上的寄生电容, 间接导致芯片的性能下降. SOI技术主要是将 源极/漏极 和 硅片衬底分开, 以达到(部分)消除寄生电容的目的.
　　传统:
　　SOI:
　　制作方法主要有以下几种(主要在于制作硅-二氧化硅-硅的结构, 之后的步骤跟传统工艺基本一致.)1. 高温氧化退火:
　　在硅表面离子注入一层氧离子层
　　等氧离子渗入硅层, 形成富氧层
　　高温退火
　　成型.
　　或者是2. Wafer Bonding(用两块! )不是要做夹心饼干一样的结构吗? 爷不差钱! 来两块!
　　来两块!
　　对硅2进行表面氧化
　　对硅2进行氢离子注入对硅2进行氢离子注入
　　翻面
　　将氢离子层处理成气泡层将氢离子层处理成气泡层
　　切割掉多余部分切割掉多余部分
　　成型! + 再利用
　　光刻
　　离子注入离子注入
　　微观图长这样:
　　再次光刻+蚀刻
　　撤去保护, 中间那个就是Fin撤去保护, 中间那个就是Fin
　　门部位的多晶硅/高K介质生长门部位的多晶硅/高K介质生长
　　门部位的氧化层生长门部位的氧化层生长
　　长成这样
　　源极 漏极制作(光刻+ 离子注入)
　　初层金属/多晶硅贴片
　　蚀刻+成型
　　物理气相积淀长出表面金属层(因为是三维结构, 所有连线要在上部连出)
　　机械打磨(对! 不打磨会导致金属层厚度不一致)
　　成型! 成型!
　　连线
　　大概就是酱紫...
　　简而言之，晶体管就像是个可变电阻 。
　　从英文上解释，transistor（晶体管 ）可以看作是transfer（转移） - resistor（电阻器）的组合，它是一种调节电流或电压的装置，可以开关或放大信号 ，作为集成电路中的基本元素，集成电路由大量与电路互连的晶体管组成。最新的英特尔CPU中的晶体管就长下面这个样子：
　　可能大家看的还是一脸懵逼，那打个简单比方，电流就像水的流量，电压就是水的压力，相同管径下，水压越大，水的流量也就越大，相同水压下，管径越小，水的流量就越小（注意是流量，不是流速，想想把水龙头开小和开大放一桶水需要的时间，显然开小时需要用时更多）。
　　晶体管就像水管中的水阀，可以用来控制流量的机制。这个水阀通常有三种状态：
　　1、全开——水没有任何限制流动
　　2、全关——完全阻止水的流动了
　　3、流量控制——控制水阀开关程度，让水在某个流量下流动
　　晶体管可以做同样的事情，在完全关闭（开路）和完全开路（短路）之间的某个点线性控制电路中的电流。水管管径的大小与电路中的电阻类似，如果一个阀门可以精确调节管道的大小，那么晶体管可以精确调节两极之间的电阻。
　　所以，从某种意义上说，晶体管就像一个可变电阻。
　　至于晶体管是怎么做成的，那就不是只言片语能说完的，基本上沙子的进化之旅，也是芯片技术中最难的制造技术了。有兴趣的话可以查查资料或关注下我们，会得到你想要的答案。
　　一般说的晶体管，是指~三极管，有三个脚，基极，发射极，集电极。晶体三极管主要有三个功能，1断开，2放大，3闭合。集电极通过负载接电源正极，发射极接负电，基极是控制。基极电压比发射极电压低≯0.6伏（为了更好的断路基极电压比发射极电压更低）发射极与集电极之间是断路，相当于开关是断开的；基极电压大于0.6伏，基极与发射极之间有电流（必须有）！发射极与集电极也就有电流！是基极电流的(贝塔β)倍，基极电流有微小的变化，集电极电流就会有很大的变化，这种情况就是晶体三极管的放大原理；基极电压再高，基极电流再高，集电极与发射极电流也高，但是高到一定时候(集电极电流X负载的电阻等于负载上的电压接近电源电压)，集电极与发射极之间电压接近于零，此时晶体三极管相当于短路。
　　……晶体三极管可以模拟二极管，稳压二极管，电阻，电容，电感，……。
　　芯片中的晶体管的工作原理和我们生活中常见的一些半导体元器件的工作原理并无二致。只是芯片中的晶体管越做越小了，小到每平方毫米能够容纳上亿的晶体管。
　　晶体管往往都长着三条腿，利用半导体电导率容易受到控制的特性，通过改变导通的条件来调整输出的电流和电压，总结一下就是通过一个信号去控制另一个信号。
　　晶体管主要分为双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。双极性晶体管也就是我们常说的三极管，它有发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）三个极，基极和发射极之间微小的电流变化就会使得发射极和集电极之间的阻抗发生改变，从而改变发射极和集电极之间的电流大小。
　　场效应晶体管的同样有三个极，分别为源极（Source）、栅极（Gate 也叫闸极）和漏极（Drain）。通过在栅极和源极之间施加电压就能改变源极和漏极之间的阻抗，如此就能控制源极和漏极之间的电流。
　　双极性晶体管是一个电流型的控制性器件，在晶体管线性工作时，晶体管就成了放大器，用于电子放大器、音频放大器、射频发达器、稳压电路等等。但场效应晶体管几乎是一个电压型控制器件，用于表示开和关的特性，也可以用于表示＂0＂和＂1＂，并且我们只想它表示开和关的特性，而不想让他们耗电，实际上是不可能的，于是才有了将晶体管越做越小的节奏，一方面可以在单位面积内容纳更多的晶体管提高运算的速度，另一方面可以降低功耗。拥有开关特性的晶体管为什么就可以用于计算？
　　我们人往往习惯于逢10进1，而机器所使用的二进制只有0、1而没有2,1过了之后就要进一位。机器语言之所以没有使用三进制、八进制、十进制、十六进制，是因为二进制对于机器来说很好实现，0/1对应了开和关，是和否。
　　这样看我们就会觉得很麻烦，没有十进制来得方便。但大家有没有想过一个问题，我们为什么会用十进制呢，而不采用十六进制？用十进制方便也仅仅是因为习惯，因为我们的双手加起来一共有10个，超过了10个就要重头开始数。
　　芯片之所以能够完成计算的动作离不开逻辑门（Logic Gates），它是数字系统的基本机构，通过或门、与门、非门、与非门、或非门等组合实现更为复杂的逻辑运算。比如上图的SN 7400N 7645就是由4个与非门构成的芯片。
　　那门又是如何构建的呢？这就回到了上面我们提到的场效应管，上面两个PMOS场效应管并联，然后下面两个NMOS场效应管串联就构成了与非门。当A、B都为1时（高电平），Out和Vss连接，Vout为低电平。只要A和B之间有一个为1，或者都为0时，Vss就不能接通到out，而对于PMOS场效应管来说，只要不通电就是接通的。
　　通过数学证明所有的逻辑，包括数学运算都可以通过与非门来实现。更多更为复杂的运算可以通过与非门的复杂、粘贴来实现。
　　上图就是一个由与非门构建的全加器，如此便完成了简单带进位的加法运算。场效应管的出现使得晶体管小型化成为可能
　　场效应管是一个高频率的电子开关，它的频率可以达到几十KHz。有了这个高频率的开关之后，我们才可以用电路，用很小的芯片来实现我们的各种逻辑门。
　　在方寸之间生长出数百亿计的晶体管，光刻仅仅只是将图纸微缩在方块之间，还需要通过物理、化学等等一系列的手段将硅、掺杂物一层层的加盖形成能够工作的晶体管，当然还需要生成晶体管之间相互连通的极细的铜导线，而硅晶圆仅仅只是地基，每盖一层都有一层掩膜图纸。
　　以上个人浅见，欢迎批评指正。
　　认同我的看法，请点个赞再走，感谢！
　　喜欢我的，请关注我，再次感谢！
　　晶体管一般是指以PN结为工作原理的器件，包括二极管三极管场效应管等等。
　　芯片里的晶体管不是一个一个放上去的，而是以印刷和蚀刻（光刻）整体做出来的，设计图被投射到晶原上，然后用化学的方式把不需要的部分去除掉。有点类似于拍照和洗片，不过精度极高。
　　说那么多的工艺有什么意义？不就是利用半导体单向导电的基本特性，成千上万个三极管二极管集成在一个小基板上，只是将其做到极其微小的物理形态。已经不再有＂管＂的原始意义。另外，我们有了BAT，市值远远超棒子三星 --彼可彼而代之矣 LOL
　　前言
　　晶体管的诞生，可以说对于计算机领域具有里程碑的意义。下面通过对模拟电路，数字电路以及芯片等概念的阐述，希望大家明白晶体管的意义所在。
　　模拟电路
　　在模拟电路中，晶体管通常有两大作用：一个是开关作用，利用的是晶体管的截止状态和饱和状态；一个是放大作用，利用的是晶体管的放大状态。
　　数字电路
　　在数字电路中，我们知道，内存和CPU等的实现都是基于逻辑门(与门，非门，异或门等)。而逻辑门的实际电路则需要依赖于晶体管或场效应管。数字电路的0和1分别代表晶体管或场效应管的关和开状态。通过层层封装思想，进而出现了内存和CPU。
　　芯片
　　芯片也就是通过我们通常所有的集成的电路，简称IC。其实就是把许多分立元器件集成起来封装在同一个外壳中，使其具有特定的功能。其内部的电路可能是模拟电路，可能是数字电路，也可能是两者的混合。
　　总结
　　明白了模拟电路，数字电路以及芯片的概念之后，想必大家对于芯片中的晶体管是个什么东东应该有了一定的认识了。如果你觉得文章不错或对你有帮助，欢迎点赞转发。
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　　其晶体管要说简单也是相当简单，只不过实现了开关两个状态，在计算机中来表示0和1，和我们按普通开关没什么区别，只不过这个按开关的是电不是人，其实一个晶体管没有什么很大的用，有用的是很多个晶体管组合，通常把他们封装到芯片中，其实也不是封装，实际上是在一个芯片上刻出一个个晶体管出来，技术难点在于我们怎么使用这么多晶体管能同时协同工作，怎么在芯片上刻出这么多晶体管出来而且不出错，性能好。
　　芯片中的晶体管，就是沙子通过化学还原，并结合其它物理工艺提纯到99.9999999%的晶体硅。然后通过紫外光雕刻成的成千成万到亿只的晶体管儿。
　　具体的说，就是由沙子得到硅晶体（晶圆），然后有晶圆切片得到晶圆薄片，然后利用光刻机照射芯片设计图案，把图案投射到晶圆薄片上，雕刻出千千万万的晶体管。还可以在刻完的硅片上，再粘贴晶圆薄片，再在粘贴的薄片再刻出晶体管…做到一个芯片多层晶圆薄片，到达增加单位面积晶体管的数量…
　　每一个晶体管的导通截止分别代表着1和0,万千个晶体管就代表着万千的1或0（导通1.截止就为0）万千的数字就代表着万千编码符号，由此晶体管越多，代表编码的内容也就越多。科技人员把不同的任务，编程为不同的0.1排列代码，当芯片输入工作指令时，芯片会根据事先编辑好的对应代码，快速的运算（晶体管开关截止排列1.0变化）得到新的编码组合就是对应执行任务的参数变化（晶体管越多，代码越多，解码的越快）…这就是数字芯片！
　　欢迎探讨，交流转发，共同进步…
　　断开，放大，闭合这些功能上亿个开开关关放大，组合成逻辑电路，就能把绝对大数人搞蒙圈了，不用说这种电子器件，就是强电中的交直流接触器，继电器，电磁线，触开关组成的逻辑电路，要是超复杂的，大多数人也是搞不了，这些都要有空间逻辑思维组合能力，记忆力，动手力超级强的人才能搞的，这是电的方面，还有液压方面的，如，各种各样的功能液压阀，液压缸，泵也能组成逻辑运行机械，还有纯机械的各种各样的齿轮，齿条，凸轮，凹轮，连杆，等等同样能组成逻辑机械。