CPU是如何制造出来的（详细高清图解）

中央处理器（CPU，central processing unit）作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元，是运算和处理数据的核心，又称为“微处理器”。现如今，对于 PC ，甚至手机而言，CPU的规格与频率甚至直接被用来衡量电脑及手机性能强弱重要指标。

CPU里面最重要的东西就是晶体管了，提高CPU的速度，最重要的就是提高单位面积里晶体管的数量，由于CPU实在太精密，里面组成了数目相当多的晶体管，早在多年前就只能通过光刻工艺来进行加工了。

晶体管可以在逻辑上直接理解为一个开关：如果您回忆起基本计算的时代，那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择，开和关，对于机器来说即0和1，而这些开关能构建门电路，进而组合成复杂的大规模运算器，就成了CPU。

制造CPU的基本原料

沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。

硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot)。

制备单晶硅锭

单晶的意思是指原子在三维空间中呈现规则有序的排列结构，而单晶硅拥有“金刚石结构”，每个晶胞含有8个原子，其晶体结构十分稳定。

单晶硅的“金刚石”结构

通常单晶硅锭都是采用直拉法制备，在仍是液体状态的硅中加入一个籽晶，提供晶体生长的中心，通过适当的温度控制，就开始慢慢将晶体向上提升并且逐渐增大拉速，上升同时以一定速度绕提升轴旋转，以便将硅锭控制在所需直径内。这一步是通过熔化硅原料，然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。结束时，只要提升单晶硅炉温度，硅锭就会自动形成一个锥形尾部，制备就完成了，一次性产出的IC芯片更多。

制备好的单晶硅锭直径约在300mm左右，重约100kg。而目前全球范围内都在生产直径12寸的硅圆片，硅圆片尺寸越大，效益越高。

将制备好的单晶硅锭一头一尾切削掉，并且对其直径修整至目标直径，同时使用金刚石锯把硅锭切割成一片片厚薄均匀的晶圆（1mm）。有时候为了定出硅圆片的晶体学取向，并适应IC制作过程中的装卸需要，会在硅锭边缘切割出“取向平面”或“缺口”标记。

研磨硅圆片

切割后的晶圆其表面依然是不光滑的，需要经过仔细的研磨，减少切割时造成的表面凹凸不平，期间会用到特殊的化学液体清洗晶圆表面，最后进行抛光研磨处理，还可以在进行热处理，在硅圆片表面成为“无缺陷层”。一块块亮晶晶的硅圆片就这样被制作出来，装入特制固定盒中密封包装

在掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了。然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。通过密切监测温度，空气成分和加温时间，该二氧化硅层的厚度是可以控制的。在intel的90纳米制造工艺中，门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分，晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动，通过对门电压的控制，电子的流动被严格控制，而不论输入输出端口电压的大小。

准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于同一层中的其它控制应用。这层物质在干燥时具有很好的感光效果，而且在光刻蚀过程结束之后，能够通过化学方法将其溶解并除去。

前工程——制作带有电路的芯片

涂抹光刻胶

买回来的硅圆片经过检查无破损后即可投入生产线上，前期可能还有各种成膜工艺，然后就进入到涂抹光刻胶环节。微影光刻工艺是一种图形影印技术，也是集成电路制造工艺中一项关键工艺。首先将光刻胶（感光性树脂）滴在硅晶圆片上，通过高速旋转均匀涂抹成光刻胶薄膜，并施加以适当的温度固化光刻胶薄膜。

光刻胶是一种对光线、温度、湿度十分敏感的材料，可以在光照后发生化学性质的改变，这是整个工艺的基础。

光刻蚀

这是目前的CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤，光刻蚀过程是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕， 由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格，需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。

当这些刻蚀工作全部完成之后，晶圆被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上，然后撤掉光线和模板。通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质，而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成。

光刻胶(Photo Resist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。

就单项技术工艺来说，光刻工艺环节是最为复杂的，成本最为高昂的。因为光刻模板、透镜、光源共同决定了“印”在光刻胶上晶体管的尺寸大小。

将涂好光刻胶的晶圆放入步进重复曝光机的曝光装置中进行掩模图形的“复制”。掩模中有预先设计好的电路图案，紫外线透过掩模经过特制透镜折射后，在光刻胶层上形成掩模中的电路图案。一般来说在晶圆上得到的电路图案是掩模上的图案1/10、1/5、1/4，因此步进重复曝光机也称为“缩小投影曝光装置”。

一般来说，决定步进重复曝光机性能有两大要素：一个是光的波长，另一个是透镜的数值孔径。如果想要缩小晶圆上的晶体管尺寸，就需要寻找能合理使用的波长更短的光（EUV，极紫外线）和数值孔径更大的透镜(受透镜材质影响，有极限值）。

由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部 件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。

溶解光刻胶

对曝光后的晶圆进行显影处理。以正光刻胶为例，喷射强碱性显影液后，经紫外光照射的光刻胶会发生化学反应，在碱溶液作用下发生化学反应，溶解于显影液中，而未被照射到的光刻胶图形则会完整保留。显影完毕后，要对晶圆表面的进行冲洗，送入烘箱进行热处理，蒸发水分以及固化光刻胶。

蚀刻

将晶圆浸入内含蚀刻药剂的特制刻蚀槽内，可以溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不需要蚀刻的部分。期间施加超声振动，加速去除晶圆表面附着的杂质，防止刻蚀产物在晶圆表面停留造成刻蚀不均匀。

清除光刻胶

通过氧等离子体对光刻胶进行灰化处理，去除所有光刻胶。此时就可以完成第一层设计好的电路图案。

光刻胶

再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。由于现在的晶体管已经3D FinFET设计，不可能一次性就能制作出所需的图形，需要重复之前的步骤进行处理，中间还会有各种成膜工艺（绝缘膜、金属膜）参与到其中，以获得最终的3D晶体管。

离子注入(Ion Implantation)

在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区 域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

在特定的区域，有意识地导入特定杂质的过程称为“杂质扩散”。通过杂质扩散可以控制导电类型（P结、N结）之外，还可以用来控制杂质浓度以及分布。

现在一般采用离子注入法进行杂质扩散，在离子注入机中，将需要掺杂的导电性杂质导入电弧室，通过放电使其离子化，经过电场加速后，将数十到数千keV能量的离子束由晶圆表面注入。离子注入完毕后的晶圆还需要经过热处理，一方面利用热扩散原理进一步将杂质“压入”硅中，另一方面恢复晶格完整性，活化杂质电气特性。

离子注入法具有加工温度低，可均匀、大面积注入杂质，易于控制等优点，因此成为超大规模集成电路中不可缺少的工艺。

清除光刻胶

完成离子注入后，可以清除掉选择性掺杂残留下来的光刻胶掩模。此时，单晶硅内部一小部分硅原子已经被替换成“杂质”元素，从而产生可自由电子或空穴。

而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。

绝缘层处理

此时晶体管雏形已经基本完成，利用气相沉积法，在硅晶圆表面全面地沉积一层氧化硅膜，形成绝缘层。同样利用光刻掩模技术在层间绝缘膜上开孔，以便引出导体电极。

在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

沉淀铜层

利用溅射沉积法，在晶圆整个表面上沉积布线用的铜层，继续使用光刻掩模技术对铜层进行雕刻，形成场效应管的源极、漏极、栅极。最后在整个晶圆表面沉积一层绝缘层以保护晶体管。

电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。

铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

抛光

将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

构建晶体管之间连接电路

经过漫长的工艺，数以十亿计的晶体管已经制作完成。剩下的就是如何将这些晶体管连接起来的问题了。同样是先形成一层铜层，然后光刻掩模、蚀刻开孔等精细 *** 作，再沉积下一层铜层......，这样的工序反复进行多次，这要视乎芯片的晶体管规模、复制程度而定。最终形成极其复杂的多层连接电路网络。

金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看 起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。

后工程——从划片到成品销售

晶圆级测试

前工程与后工程之间，夹着一个Good-Chip/Wafer检测工程，简称G/W检测。目的在于检测每一块晶圆上制造的一个个芯片是否合格。通常会使用探针与IC的电极焊盘接触进行检测，传输预先编订的输入信号，检测IC输出端的信号是否正常，以此确认芯片是否合格。

由于目前IC制造广泛采用冗余度设计，即便是“不合格”芯片，也可以采用冗余单元置换成合格品，只需要使用激光切断预先设计好的熔断器即可。当然，芯片有着无法挽回的严重问题，将会被标记上丢弃标签。

内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。

晶圆切片(Slicing)

IC内核在晶圆上制作完成并通过检测后后，就进入了划片阶段。划片使用的划刀是粘附有金刚石颗粒的极薄的圆片刀，其厚度仅为人类头发的1/3。将晶圆上的每一个IC芯片切划下来，形成一个内核Die。

裂片完成后还会对芯片进行外观检查，一旦有破损和伤痕就会抛弃，前期G/W检查时发现的瑕疵品也将一并去除。

晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。

丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。

单个内核：内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是Core i7的核心。

封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。

芯片进行检测完成后只能算是一个半成品，因为不能被消费者直接使用。还需要经过装片作业，将内核装配固定到基片电路上。装片作业全程由于计算机控制的自动固晶机进行精细化 *** 作。

等级测试

CPU制造完成后，还会进行一次全面的测试。测试出每一颗芯片的稳定频率、功耗、发热，如果发现芯片内部有硬件性缺陷，将会做硬件屏蔽措施，因此划分出不同等级类型CPU，例如Core i7、i5、i3。这里说明一下，高中低档的cpu制作成本是一样的，只是最后测试时，性能高的就是高端，性能低的就是入门级。

装箱：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。

零售包装：制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商，要么放在包装盒里进入零售市场。

当CPU被放进包装盒之前，一般还要进行最后一次测试，以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运行频率不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地。

二极管的工作原理图解

二极管的工作原理图解，可能很多人都没有听说过二极管，二极管其实在我们的生活中是一种比较常见的东西，我们的灯泡、屏幕等等都是由二极管制成，那二极管的工作原理图解是什么，一起来看看吧。

二极管的工作原理图解1

二极管是最常用的电子元件之一，它最大的特性就是单向导电，也就是电流只可以从二极管的一个方向流过，二极管的作用有整流电路，检波电路，稳压电路，各种调制电路，主要都是由二极管来构成的。

二极管工作原理

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电常当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

N型、P型其实是针对载流子来说的，载流子分为电子和空穴，如果材料以电子载流子导电为主那么就叫N型，如果以空穴载流子导电为主那么就叫P型。因为电子带负电，所以N是negaTIve的缩写而空穴带正电，所以P是posiTIve的缩写。

PN二极管正向导电性

在PN结两端外加电压，称为给PN结以偏置电压，给PN结加正向偏置电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时称PN结为正向偏置。反之为反向偏置。

PN结正向偏置

由于外加电源产生的外电场的方向与PN结产生的内电场方向相反，削弱了内电场，使PN结变薄，有利于两区多数载流子向对方扩散，形成正向电流，此时PN结处于正向导通状态

2、PN结反向偏置

给PN结加反向偏置电压，即N区接电源正极，P区接电源负极，称PN结反向偏置（简称反偏）

由于外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，使PN结加宽，阻碍了多子的扩散运动

二极管的结构主要是有PN结组成，二极管工作过程中所产生的正向导向性是是有PN结宽度的增减决定的。

外加电场与内电场的方向一致，因而加强了内电场，使PN结加宽，阻碍电子扩散，形成反向电流微弱。

二极管的工作原理图解2

一、概述

发光二极管在我们生活中是比较常见的，比如说：商业的走字灯，交通灯，LED屏幕，LED灯泡等等。二极管是一种用锗或者硅半导体材料做成的，半导体材料导电性能在常温下介于导体和绝缘体之间，一百多年前就有这个东西了，是半导体器件家族中的元老了。

发光二极管只是二极管其中之一，还有许多不同用途的`二极管：整流二极管、稳压二极管、光电二极管、开关二极管等。整流二极管在我们生活中比较常见，都用在交流转直流的电路中：手机充电器，电脑充电器，电动车充电器等等。

二、PN结

上面说到的那些二极管它们都有一个共同的性能，单向导电性，就是说电流只能从二极管的阳极进去，负极出去，反过来就不行了。为什么呢？二极管中有个叫PN结的东西，就是它阻止了电流逆流。接下来小马哥就给小伙伴们讲讲PN 结。

自然界中的物质，按照不同的导电性能分为了导体、半导体和绝缘体，半导体材料导电性能介于导体和绝缘体之间。常用的半导体材料有四价硅和锗（zhě）。什么是四价啊，就是最外层有四个电子。纯净的半导体又称为本征半导体，其导电能力较差，不能直接用来制造半导体器件，在本征半导体一边中用扩散工艺掺入三价元素（硼），另一边掺入五价元素（磷），就是把原来少量的硅原子或者锗原子替代了。

三价元素（硼），最外层只有三个电子，然而硅和锗有外层有四个电子，少了一个怎么办呀？那就形成了空穴，这个就是P型半导体。于是，P型半导体就成为了含空穴浓度较高的半导体。

五价元素（磷）有五个电子，多一个怎么办？多出的一个电子几乎不受束缚，它就自由了，叫它自由电子，这个就是N型半导体。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体。

扩散运动和漂移运动

P型半导体和N型半导体结合后，P区内空穴和N区内自由电子多称为多子，P区内自由电子和N区内空穴几乎为零称为少子，在它们的交界处就出现了自由电子和空穴的浓度差。

由于P区的空穴浓度比N区高，空穴就往N区扩散，而N区的自由电子浓度比P区高，自由电子往P区扩散，就像一滴墨水滴在清水中，墨水本身浓度高，就往周围扩散，这就是扩散运动，P区的空穴和N区的自由电子就可能相遇，然后复合。什么是复合啊，把空穴比作房子，房子里面要住人啊，这时候自由电子就比作人了，然后他们就结合成一体了。

P区和N区里面的杂质离子不能任意移动，为啥呀？因为杂质离子被周围的硅原子或者锗原子束缚了。在P和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，在这个区域内，多子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了。

P区和N区里面的杂质离子相互作用，N区杂质离子带正电荷，P区杂质离子带负电荷，在空间电荷区形成了内电场，扩散运动的进行使空间电荷区变宽，内电场也变强了。

这个内电场一方面阻止了扩散运动的进行，扩散就不容易进行下去；另一方面使空穴（少子）从N区往P区漂移，自由电子从P区往N区漂移，这个漂移可不是汽车漂移，是受N区高电势，P区低电势的内电场影响产生漂移，叫做少子漂移。

慢慢的空间电荷区就稳定了。总结来说多子运动叫做扩散运动，少子运动就是漂移运动，当两种运动达到动态平衡就产生了PN结。在PN结加上相应的电级引线和管壳，就构成了半导体二极管。由P区引出的电极成为了正极，由N区引出的电极成为了负极。

三、导通和截止

当PN结加正向导通电压就是把P区引脚加电源正极，N区引脚连接电源负极。电流方向由P区流向N区和PN 结内部的内电场相反，当电压大于内电场电压时，外部的电源抵消了其内电场。

内电场抵消了，有利于扩散运动的进行，空间电荷区慢慢变成了P区和N区，当空间电荷区越来越薄，直到最薄的时候这时候会形成一个扩散电流，这时候二极管也就导通了，这时候的电压称为导通电压。

反之把P区引脚加电源负极，N区引脚连接电源正极，这时候电流流动的方向和内电场的方向相同，增强了内电场使得空间电荷区变宽，空穴会被拉向P区的方向，电子会被拉向N区的方向，从而阻止了扩散运动，形成了反向漏电流，由于电流非常小，这就是截止状态。

反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁，这时候的电压成为击穿电压，这时候二极管就没用了。

二极管加正向偏置电压，死区OA区，由于正向电压比较小，二极管不导通，几乎没有电流，呈高阻状态，此时二极管两端的电压为死区电压，硅二极管为0.5V（锗管为0.1v），当正向电压高于一定的数值后，二极管中的电流随着电压的升高而增大，二极管导通，这时候的电压称为导通电压，也叫门槛电压。

硅管导通电压为0.6V（锗管为0.2v），导通时二极管两端的电压保持不变，硅管0.7V（锗管为0.3v），这时候称为正向压降。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，PN结掺杂不同的化合物发出的光也不同，比如说镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等。然后加上引脚，用环氧树脂封装起来，通上正向电压发光二极管就这样发光了。

稳压二极管利用了二极管反向击穿的特性，稳压二极管都是串联在电路中，当稳压二极管被击穿，尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压上下。

在接二极管还要注意正负极，一般看外观来说，长引脚为正极，短引脚为负极，有些二极管的表面会有图形符号用万用表也可以测，把万用表调到二极管档，红黑表笔分别接二极管的两端，若此时万用表的读数小于1，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极。若读数为“1”，则黑表笔一端为正极。

半导体和芯片的区别如下：

1、概念不同。芯片是半导体元件产品的统称，将电路小型化的方式。半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

2、特点不同。芯片是把电路制造在半导体芯片上的集成电路。集成电路是包括芯片制造技术与设计技术。

3、功能不同。芯片晶体管出现之后，各式的固态半导体组件大量使用取代了取代了真空管在电路中的功能与角色。半导体主要是用在收音机、电视机和测温上。

4、芯片是一种集成电路，是由大量的晶体管构成。各种的芯片都会有不同的规模，大到有几亿晶体管，小的话只有几十晶体管。芯片加电后，会先产生一个启动指令启动芯片，之后就一直接受新指令和数据来完成功能。

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