芯片原理和量子力學

不少文盲以爲量子力學只是一個數學遊戲，沒有應用價值，呵呵，下面咱給計算機芯片尋個祖宗，請看示範：


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，因此先替各位的物理老師把這債還上。


原子組成固體時，會有不少相同的電子混到一塊兒，但量子力學認爲，2個相同電子無法待在一個軌道上，因而，爲了讓這些電子不在一個軌道上打架，不少軌道就分裂成了好幾個軌道，這麼多軌道擠在一塊兒，不當心捱得近了，就變成了寬寬的大軌道。這種由不少細軌道擠在一塊兒變成的寬軌道就叫能帶。


有些寬軌道擠滿了電子，電子就無法移動，有些寬軌道空曠的很，電子就可自由移動。電子能移動，宏觀上表現爲導電，反過來，電子動不了就不能導電。


好了，咱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，電子能夠絕不費力從滿軌道跑到空軌道上，因而就能自由移動，這就是導體。一價金屬的導電原理稍有不一樣。


但不少時候兩條寬軌道之間是有空隙的，電子單靠本身是跨不過去的，也就不導電了。但若是空隙的寬度在5ev以內，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，因此叫半導體。


若是空隙超過5ev，那基本就得歇菜，正常狀況下電子是跨不過去的，這就是絕緣體。固然，若是是能量足夠大的話，別說5ev的空隙，50ev都照樣跑過去，好比高壓電擊穿空氣。


到這，由量子力學發展出的能帶理論就差很少成型了，能帶理論系統地解釋了導體、絕緣體和半導體的本質區別，即，取決於滿軌道和空軌道之間的間隙，學術點說，取決於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，因此導線到了今天仍然是銅線，技術上沒有任何進展，絕緣體的命運也差很少。


半導體這種曖曖昧昧的性格最容易搞事情，因此與電子設備相關的產業基本都屬於半導體產業，如芯片、雷達。

下面有點燒腦細胞。


基於一些簡單的緣由，科學家用硅做爲半導體的基礎材料。硅的外層有4個電子，假設某個固體由100個硅原子組成，那麼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，因此這塊固體的滿軌道就有了10個空位。這就至關於在擠滿人的公交車上騰出了幾個空位子，爲電子的移動提供了條件。這叫P型半導體。


同理，若是用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，所以滿軌道上反而又多出了10個電子。至關於擠滿人的公交車外面又掛了10我的，這些人很是容易脫離公交車，這叫N型半導體。


如今把PN這兩種半導體面對面放一塊兒會咋樣？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，一直到電場平衡爲止，這就是大名鼎鼎的「PN結」。(動圖來自《科學網》張雲的博文)

 

若是加個反向的電壓呢？從P型半導體那裏再抽電子到N型半導體，而N型早已掛滿了額外的電子，多出來的電子不斷加強電場，直至抵消外加的電壓，電子就再也不繼續移動，此時PN結就是不導電的。

 

固然，實際上仍是會有微弱的電子移動，但和正向電流相比可忽略不計。

若是你已經被整暈了，不要緊，用大白話總結一下：PN結具備單向導電性。


好了，咱們如今已經有了單向導電的PN結，而後呢？把PN結兩端接上導線，就是二極管：

有了二極管，隨手搭個電路：




三角形表明二極管，箭頭方向表示電流可經過的方向，AB是輸入端，F是輸出端。若是A不加電壓，電流就會順着A那條線流出，F端就沒了電壓；若是AB同時加電壓，電流就會被堵在二極管的另外一頭，F端也就有了電壓。假設把有電壓看做1，沒電壓看做0，那麼只有從AB端同時輸入1，F端纔會輸出1，這就是「與門電路」，

 

同理，把電路改爲這樣，那麼只要AB有一個輸入1，F端就會輸出1，這叫「或門電路」：

 

如今有了這些基本的邏輯門電路，離芯片就不遠了。你能夠設計出一種電路，它的功能是，把一串1和0，變成另外一串1和0。


簡單舉個例子，給第二個和第四個輸入端加電壓，至關於輸出0101，通過特定的電路，輸出端能夠變成1010，即第一個和第三個輸出端有電壓。

 

咱們來玩個稍微複雜一點的局：






左邊有8個輸入端，右邊有7個輸出端，每一個輸出端對應一個發光管。從左邊輸入一串信號：00000101，通過中間一堆的電路，使得右邊輸出另外一串信號：1011011。1表明有電壓，0表明無電壓，有電壓就能夠點亮對應的發光管，即7個發光管點亮了5個，因而，就獲得了一個數字「5」，如上圖所示。

終於，咱們已經搞定了數字是如何顯示的！若是你想進行1+1的加法運算，其電路的複雜程度就已經超過了99%的人的智商了，即使本僧親自出手，設計電路的運算能力也抵不過一副算盤。


直到有一天，有人用18000只電子管，6000個開關，7000只電阻，10000只電容，50萬條線組成了一個超級複雜的電路，誕生了人類第一臺計算機，重達30噸，運算能力5000次/秒，還不及如今手持計算器的十分之一。不知道當時的工程師爲了安裝這堆電路，腦子抽筋了多少回。