从4004到core i7——处理器的进化史-CPU构成零件-1

嵌入式系统 时间:2014-02-18来源:摘自《果壳小组》网

  在下面的两个帖子当中,我将简短地介绍构成CPU的零件,一种晶体管。我将展示如何完成最简单的设计,这相当于IC设计中的Hello world,并且略微提到Hello world的几种变体。

  为了防止下面的内容显得突兀,再铺垫一点最最基础的半导体知识。

  硅是地壳中含量第二大的元素。

  凑巧的是,它处于金属、非金属分界线上。这也就是说,它的导电能力介于纯粹的导体和纯粹的绝缘体之间。

  最纯净的单晶硅(纯度超过99.9999%)略微导电,导电性主要受温度控制。这就是本征半导体。

  硅有4个价电子。这就意味着,如果我们掺入3价元素,例如硼,就会有一个空穴;如果我们掺入5价元素,比如磷,就会多出一个价电子。也就是说,我们可以造出P型和N型半导体。其中P=positive,N=negative,说的是其中自由移动的带电粒子的电荷性。更加凑巧的是,掺杂的浓度可以控制其中带电粒子的浓度(温度的影响相对杂质而言较小),进而控制其电导率。

  将P性和N性的材料接触便会形成PN结。我在此不会涉及PN结的详细解释,那需要用到能带理论。仅仅知道PN结在P->N的足够大的外电场(>0.7V典型值)下可以认为短路,在N->P的外电场下可以认为断路就足够了。

  现在我们有了可以自由控制硅片上某一区域导电性的方法,还知道了怎样制造一个最简单的电流的单向阀——PN结。这两个事实是一切半导体IC的基石。

  现在我们请出我们的砖瓦:为了给它一个隆重的登场,我另起一行,它就是:

  金属——氧化物——半导体 场效应 晶体管

  Metal - Oxide - Semiconductor Field-Effect Transistor

  肯定有不少人见到它的昵称——MOSFET,或者干脆简称MOS管。

  下面发一张MOS管的靓照:

  再来一张生理结构图

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关键词: CPU IC设计 单晶硅 MOS

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