- 為什么說芯片是關鍵？核心技術到底是個啥？

核心材料技術，說一句“外國仍把中國摁在地上”，一點都不過分。這其實很容易理解，畢竟發(fā)家時間不長，而材料技術不但要燒錢，更要燒時間。

這里得強調(diào)一下，應用技術并不比核心技術不重要，它需要資金、需求和社會實際情況的結合，雖然外國有能力燒，但也許一輩子都沒機會燒。這兒肯定有人抬杠了：人家只是不愿意燒，不然分分鐘秒殺你！呵呵，如果強行燒錢，后果參照老毛子。

磨嘰半天，該回正題了，半導體芯片之所以難，是因為它不但涉及海量燒錢的應用技術，還有眾多燒錢燒時間的材料技術。為了便于小盆友理解，這話得從原理說起。

芯片原理和量子力學

很多文盲覺得量子力學只是一個數(shù)學游戲，沒有應用價值，呵呵，下面咱給計算機芯片尋個祖宗，請看示范：

導體，咱能理解，絕緣體，咱也能理解，小盆友們第一次被物理整懵的，怕是半導體了，所以先替各位的物理老師把這債還上。

原子組成固體時，會有很多相同的電子混到一起，但量子力學認為，2個相同電子沒法待在一個軌道上，于是，為了讓這些電子不在一個軌道上打架，很多軌道就分裂成了好幾個軌道，這么多軌道擠在一起，不小心挨得近了，就變成了寬寬的大軌道。這種由很多細軌道擠在一起變成的寬軌道就叫能帶。

有些寬軌道擠滿了電子，電子就沒法移動，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動。電子能移動，宏觀上表現(xiàn)為導電，反過來，電子動不了就不能導電。

好了，我們把事情說得簡單一點，不提“價帶、滿帶、禁帶、導帶”的概念，準備圈重點！

有些滿軌道和空軌道挨的太近，電子可以毫不費力從滿軌道跑到空軌道上，于是就能自由移動，這就是導體。一價金屬的導電原理稍有不同。

但很多時候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠自己是跨不過去的，也就不導電了。但如果空隙的寬度在5ev之內(nèi)，給電子加個額外能量，也能跨到空軌道上，跨過去就能自由移動，也就是導電。這種空隙寬度不超過5ev的固體，有時能導電有時不能導電，所以叫半導體。

如果空隙超過5ev，那基本就得歇菜，正常情況下電子是跨不過去的，這就是絕緣體。當然，如果是能量足夠大的話，別說5ev的空隙，50ev都照樣跑過去，比如高壓電擊穿空氣。

到這，由量子力學發(fā)展出的能帶理論就差不多成型了，能帶理論系統(tǒng)地解釋了導體、絕緣體和半導體的本質(zhì)區(qū)別，即，取決于滿軌道和空軌道之間的間隙，學術點說，取決于價帶和導帶之間的禁帶寬度。

半導體離芯片原理還很遙遠，別急。

很明顯，像導體這種直男沒啥可折騰的，所以導線到了今天仍然是銅線，技術上沒有任何進展，絕緣體的命運也差不多。

半導體這種曖曖昧昧的性格最容易搞事情，所以與電子設備相關的產(chǎn)業(yè)基本都屬于半導體產(chǎn)業(yè)，如芯片、雷達。

下面有點燒腦細胞。

基于一些簡單的原因，科學家用硅作為半導體的基礎材料。硅的外層有4個電子，假設某個固體由100個硅原子組成，那么它的滿軌道就擠滿了400個電子。這時，用10個硼原子取代其中10個硅原子，而硼這類三價元素外層只有3個電子，所以這塊固體的滿軌道就有了10個空位。這就相當于在擠滿人的公交車上騰出了幾個空位子，為電子的移動提供了條件。這叫P型半導體。

同理，如果用10個磷原子取代10個硅原子，磷這類五價元素外層有5個電子，因此滿軌道上反而又多出了10個電子。相當于擠滿人的公交車外面又掛了10個人，這些人非常容易脫離公交車，這叫N型半導體。

現(xiàn)在把PN這兩種半導體面對面放一起會咋樣？不用想也知道，N型那些額外的電子必然是跑到P型那些空位上去了，一直到電場平衡為止，這就是大名鼎鼎的“PN結”。(動圖來自《科學網(wǎng)》張云的博文)

這時候再加個正向的電壓，N型半導體那些額外的電子就會源源不斷跑到P型半導體的空位上，電子的移動就是電流，這時的PN結就是導電的。

如果加個反向的電壓呢？從P型半導體那里再抽電子到N型半導體，而N型早已掛滿了額外的電子，多出來的電子不斷增強電場，直至抵消外加的電壓，電子就不再繼續(xù)移動，此時PN結就是不導電的。

當然，實際上還是會有微弱的電子移動，但和正向電流相比可忽略不計。

如果你已經(jīng)被整暈了，沒關系，用大白話總結一下：PN結具有單向導電性。