作者：张德赛
外行谈芯片（一）
我是搞强电的，芯片属于弱电，是两个完全不同的领域。但是近期的中美芯片大战，使我对芯片产生了一些好奇，下面是我的学习体会。
芯片是由一系列固体材料制成的，所以先谈谈固体。
几千年以来，科学家们一直在探索我们的世界由什么组成？现在我们知道了：物质是由原子组成的，原子由一个核（称为原子核）和在核外的电子组成，所有物质的共性就是这样，包括固体。
有一个世界上最著名的物理学家费恩曼说过：如果在某种灾变中，所有科学知识都将被毁灭，只有一句话能传给后来的智能生物，那么，怎样的说法能够以最少的语言包含最多的信息呢？我相信那就是：万物由原子构成。
不知道自然界是由上帝创造的还是由其他什么东东创造的，竟然这么有次序、这么和谐地运转着！
电子也是这样。它们不可能混乱地挤到一起。比如，2个相同电子绝不会待在同一个轨道上，于是，为了让这些电子不在一个轨道上打架，自然界就创造了许多轨道。
有些轨道比较宽，又比较空旷，电子就可在这种轨道中自由移动，在宏观上就表现为导电，这就是导体。
有些轨道电子很多，电子在里面移动困难，几乎动不了，在宏观上就表现为不导电，这就是绝缘体。
轨道与轨道之间一般都是有空隙的，电子单靠自己的力量是跨不过去的，也就不能导电。如果有的间隙距离比较近，再外加给电子一点力量，电子就可以跨到另外一个轨道上去。如果这个轨道又比较空旷，那么电子就可以在这个轨道上移动，就导电了。这种有时能导电有时不能导电的东东，就是半导体。
如果两个轨道的间隙比较大，给予一般的能量电子也不能跨过去，这种东东也称为绝缘体。除非给予很大的能量，这时就称为绝缘体被击穿了。
以上就是用量子力学的观点基本解释了导体、绝缘体和半导体的区别。
量子力学是一门非常难以理解的学问。爱因斯坦说过：我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。
前面提到的费恩曼也说过：我想我可以有把握地说，没有人理解量子力学。
不过我们可以这样来理解：世界是由一堆积木组成的，而研究那块最小最小的积木，就要用到量子理论。
导体、绝缘体和半导体离芯片的知识还非常非常遥远，只有慢慢道来。
像导体这种直男没啥可折腾的，所以导线到了今天仍然是铜线，技术上没有任何进展。
而绝缘体的命运只有在高电压领域才有它的用武之地。
只有半导体这种暧暧昧昧的性格最容易搞事情，所以与电子设备相关的产业基本都属于半导体产业，如芯片等。
写到这里，想到世界上有些事情真是奇怪：怎么都与3有关联。自然界的物质分为3大类：固体、液体和气体；而按照导电性分：固体也可以分为3大类：导体、绝缘体和半导体。
外行谈芯片（二）
下面的内容有点烧脑细胞。
要明白芯片是什么，先得知道半导体。
在（一）中已经讲过：半导体就是有时能导电有时不能导电，半导体最有用的性质就是它的导电性是可变的。例如，我们可以通过温度、光照或者加入少量其他东东（称为杂质，杂质不一定是坏东西，在半导体中，就是因为这些杂质，才有了今天的手机、电脑…）来改变其导电性。
现在来谈谈杂质。
半导体的基本材料是硅，硅的最外面的轨道有4个电子。如果有一辆16座的面包车，放入4个硅原子，那么车上就坐满了16个电子，即满员了。此时车里的电子一个萝卜一个坑，不能移动，所以硅是绝缘体。
科学家还找到了一种材料：硼。硼的最外面的轨道有3个电子，如果我们用1个硼原子取代其中的1个硅原子（这就是掺入杂质），这就相当于在挤满16人的面包车上腾出了1个空位子，为电子的移动提供了条件，这时的硅加硼组合就是半导体了。电子带负电，现在的“硅加硼组合”少了一个电子，相当于带正电，正电的英文是“positive”，取其第一个字母，将“硅加硼组合”称为P型半导体。
事情还没有完。
科学家又找到了一种材料：磷。磷的最外面的轨道有5个电子，如果我们用1个磷原子取代其中的1个硅原子（这也是掺入杂质），这就相当于在挤满16人的面包车上又多出1个电子，即在挤满人的面包车外面又挂了1个人，这个人非常容易脱离面包车，即电子非常容易跑出来，这时的硅加磷组合也是半导体了。电子带负电，现在的“硅加磷组合”多了一个电子，负电的英文是“negative”，取其第一个字母，将“硅加磷组合”称为N型半导体。
事情快要完了。
然后科学家又把这两种半导体（即P型半导体和N型半导体）面对面地放在一起。这会发生什么结果呢？稍稍想一下就知道，肯定是N型半导体那些挂在外面的电子跑到P型半导体那些空位上去了，这就是大名鼎鼎的“PN结”。
PN结就是一个最简单的芯片。
我们要感谢自然界给我们提供了硅、硼和磷这三个元素，也要感谢科学家创造出来的P型半导体、N型半导体和PN结这三个元素。正是因为有了它们，才有了我们今天庞大的电子工业、通讯产业和互联网（包括我们现在每天都不能离开的手机和微信）…
外行谈芯片（三）
PN结有什么特点呢？如果这个时候加上一个正确的电压，使得N型半导体那些挂在外面的电子能够跑到P型半导体的空位上，这就是电子的移动，此时PN结中就通过了电流，即PN结导电了。
如果再加上一个反向的电压，显然电子就不再继续移动，此时PN结就是不导电的。
把上面的内容总结一下：即PN结具有单向导电性。
单向导电性有什么好处呢？人们可以利用这种性质来实现类似开关的功能，PN结导通，电流通过，相当于开关闭合；反之，相当于开关打开。
把PN结两端接上导线，就是所谓的二极管了。即二极管具有一定的控制功能，我们现在所有的电子设备都起源于这种最基本的控制功能。
在半导体的基本材料（硅、硼、磷）被发现以前，能够起到单向导电性的电子设备是电子管，一个电子管就是一个灯泡，里面被抽成真空。
电子管这种东西后来被PN结替代了，PN结称为固体电子器件，也叫晶体管。与电子管具有一样的功能，但是由它们组成的电路就小了许多。
例如：美国人曾经用18000只电子管，6000个开关，7000只电阻，10000只电容，50万条线组成了一个超级复杂的电路，发明了人类第一台计算机，重达30吨，有一间房子那么大，再不知道当时的工程师为了安装这堆电路，脑子抽筋了多少。
但是它的运算能力还不及现在用晶体管制成的手持计算器的十分之一，这就是电子管与晶体管在体积是的区别。
用这种用PN结制造的二极管和三极管是在上世纪五、六十年代出现的。记得那时我曾经用1.5元买了一个米粒大小的二极管，将家里那台用矿石检波的收音机换成了晶体管，当我听到从耳机里发出了声音时，真是欣喜若狂！不过那个时候，真不知道PN结是什么东东…
接下来的思路就简单了，就是如何把以前30吨的东西，集成到指甲那么大的地方上去，这就是芯片。
芯片很小，所以称为“片”。它又具有各种各样的功能，可比为人类的心脏，再加个草头，以示与人类智能的区别，这就是“芯”，两者组合起来，就是“芯片”。
芯片发展到今天的程度，可以说芯片就是一个高集成的电子计算器。可以实现各种运算来实现人工智能，它已经在人类生活中扮演着重要角色。从身份证、银行卡到手机、电脑、高级医疗设备和各种民用、军用电子器件…
我们现在已经都离不开芯片了，而这个行业的领先大国却是美国、日本和韩国等。
真希望中国在芯片领域，能够将自己修炼成狼，而不是成为驯服的羊。
外行谈芯片（四）
现在该讲芯片的制作了。芯片的制作原理很简单，但是几乎就是做不出来。
首先，我们从一捧沙子开始。
硅是制造芯片的原料，它是一种极为常见的元素。硅在宇宙中的储量排在第八位，在地壳中它是含量位居第二的元素，构成地壳总质量的25.7%，仅次于第一位的氧（49.4%）。
但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的砂子，理由如下：因为硅很容易跟空气中的氧气结合，形成二氧化硅，也就是砂子。所以硅极少以单独的形式在自然界出现，即硅是藏在砂子之中的，它通过砂子隔绝了与空气的接触，因而才能够长期存在于我们的地球上。
难以想象吧！价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的芯片竟然来自那些几乎一文不值的砂子。这中间必然要经历一个非常复杂的制造过程才行，不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行。
所以芯片的生产就是从砂子开始的，整个过程就是一个点砂成金的过程。
从化学上，我们首先必须进行还原反应，要把砂子这玩意儿经过一系列工序还原成硅，而且必须是纯度很高的硅。
从砂还原成硅的第一个评判指标就是纯度。我们想想，如果硅里有一大堆杂质，那电子就别想在轨道中和轨道之间跑顺畅。
太阳能板也需要高纯度的硅，具体指标是6个9，即99.9999%。这玩意儿全世界超过一半是中国产的，早被玩成了白菜价。
而芯片用的硅要求99.999999999%，别数了，这里是11个9。能够生产11个9的霸主是德国、美国和日本，据说2018年我们可以量产了，但是目前年产量为0.5万吨，而我们一年的需求量至少15万吨以上。
所以在芯片第一道点砂成硅的工序上，中国任重而道远。
补充：下面是上一篇（三）中提到的世界上第一台电子计算机。
作者简介：
张德赛教授是武汉大学电气工程学院高电压绝缘的学科带头人，是文革后首届高电压技术和设备专业工学硕士，国家七五计划重大科技攻关项目《500kV复 合绝缘子》课题组组长，莸得国家重大科技装备成果奖，我国复合绝缘子的创始人之一，国际绝缘子杂志INMR的中文版主编，世界首创的三元素结构绝缘子发明人。
张德赛教授在绝缘子领域耕耘四十多年，是中国绝缘子发明专利最多的人，特别是近年来发明了世界首创的三元素结构绝缘子，于2010年8月成立湖北鑫德赛绝缘技术有限公司。公司主业是从事国内外电力系统、电气化铁路绝缘新技术和新设备的研发、生产及销售。