半导体在计算机里的运用

半导体介于导体与非导体间之物质（如硅或锗），故其导电性居于金属与绝缘体之间，并随温度而增加。半导体材料，呈中度至高度之电阻性（视制造之际所掺杂之物质而定）。纯半导体材料( 称为内质半导体），导电性低；若于其中添加特定类型之杂质原子（成为外质半导体），则可大为增加其导电性。施体杂质（5价）可大量增加电子数目，而产生负型半导体；受体杂质（3价）则大量增加电洞数目，而产生正型半导体。此种外质半导体之导电性，端视其中杂质之类型及总量而定。不同导电性之半导体若经集合一起，可形成各种接面； 此即为半导体装置（供作电子组件使用）之基础。半导体一词，亦常意指此类装置本身（如晶体管、集成电路等）。

以导电性来说，应该知道有所谓的导体和绝缘体；而介于两者之间，导电性比金属导体小很多，却比绝缘体来得好的物质，就叫做『半导体』或『半金属』。

一般而言，硅（Si）是最常用的半导体材料，在硅中掺入微量的砷（As）、磷（P）或硼（B），就能改变硅的导电特性，形成n型（负性）或p型（正性）半导体。n型？p型？是什么意思呢？下面简单说明：

硅原子的最外层有四个电子，纯硅原子间以共价（共享电子）的方式，形成一相当稳定的状态。由于缺少自由电子，因此，纯硅的导电性极差。但是，如果我们在纯硅中掺入（doping）少许的砷或磷（最外层有五个电子），就会多出一个自由电子，这样就形成n型半导体；如果我们在纯硅中掺入少许的硼（最外层有三个电子），就反而少了一个电子，而形成一个电洞，这样就形成p型半导体（少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷）。此时若在硅晶两端加电压，就能使电子产生自由移动而显著地增加其导电性。

除了n型和p型半导体，如果把两者连接起来，在它们的接合面会有特殊情形产生，我们把这个面称为p-n型接面(p-n junction)。一般熟知的晶体管、二极管等电子组件，就是利用p-n型接面而形成的。

半导体的重要性，在于我们可以利用改变半导体的电容，制成各种半导体组件，而使得电子工业、光学工业和能量系统都产生重大改进（如雷射、太阳能电池），近年来更广泛运用在计算机的芯片中。

半导体<semicondcctor>,顾名思义,是导电力介于金属等导体和玻璃等飞导电体的物质.若以导电率来看,半导体大致位于1e3-10(ohm-cm)间<这只是概分>.是温下铝的电阻系数为2.5e-6 ohm-cm,而玻璃则几乎无限大.会有这种现象是因为物质内部电子分布在不同的能量范围<或称能带>内,其中可让电子自由移动的能带称为导电带,除非导带内有电子可自由活动,否则物质将无法经由电子来传导电流.其它能带<导电带>的电子必须要克服能量障碍<指能隙>跃升致电导电带后,方可成为导电电子.例如玻璃,即是因为这能隙太大,使得电子再是温下无法跃至导电带后自由活动,所以是非导体.

至于半导体,其能量障碍不是很大,低于非导体,所以在高温,照光等给予能量的状况或是地加入一些可减小能量障碍的元素,便可以改变其电阻值,成为电的良导体.电子工业是利用半导体这种可随环境,参质的加入等而改变其导电能力的特性,发展出多项的应用产品.

半导体的材料又可分为元素半导体及化合物半导体.元素半导体是由一元素所组成的半导体,如Si,Ge等化合物半导体则是两种以上的元素所组成的半导体,如GaAs,Zns等,常运用于光电或高速组件中.

半导体（ semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

而CPU工作原理比较复杂。在了解CPU工作原理之前，我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上，用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此，从这个意义上说，CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言，晶体管就是微型电子开关，它们是构建CPU的基石，你可以把一个晶体管当作一个电灯开关，它们有个 *** 作位，分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开，而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应！这样，计算机就具备了处理信息的能力。

但你不要以为，只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单，其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前，计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来，科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中，这样便创作出第一个集成电路，再后来才有了微处理器。

看到这里，你一定想知道，晶体管是如何利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的呢？其实，所有电子设备都有自己的电路和开关，电子在电路中流动或断开，完全由开关来控制，如果你将开关设置为OFF，电子将停止流动，如果你再将其设置为ON，电子又会继续流动。晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制，我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样，晶体管的ON状态用“1”来表示，而OFF状态则用“0”来表示，就可以组成最简单的二进制数。众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况，将其定义为字母、数字、颜色和图形。举个例子，十进位中的1在二进位模式时也是“1”，2在二进位模式时是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此类推，这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值，也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制，晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。

CPU的内部结构

现在我们已经大概知道CPU是负责些什么事情，但是具体由哪些部件负责处理数据和执行程序呢？

1.算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)

ALU是运算器的核心。它是以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的，这里就相当于工厂中的生产线，负责运算数据。

2.寄存器组 RS(Register Set或Registers)

RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异。

3.控制单元(Control Unit)

正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和 *** 作控制器0C(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么 *** 作，然后通过 *** 作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微 *** 作控制信号。 *** 作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

4.总线(Bus)

就像工厂中各部位之间的联系渠道，总线实际上是一组导线，是各种公共信号线的集合，用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。直接和CPU相连的总线可称为局部总线。其中包括: 数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus) 、控制总线CB(Control Bus)。其中，数据总线用来传输数据信息；地址总线用于传送CPU发出的地址信息；控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。

CPU的工作流程

由晶体管组成的CPU是作为处理数据和执行程序的核心，其英文全称是:Central Processing Unit，即中央处理器。首先，CPU的内部结构可以分为控制单元，逻辑运算单元和存储单元(包括内部总线及缓冲器)三大部分。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作的结束。

数据与指令在CPU中的运行

刚才已经为大家介绍了CPU的部件及基本原理情况，现在，我们来看看数据是怎样在CPU中运行的。我们知道，数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些 *** 作，比如完成加法、减法或移位运算。

我们假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针(Instruction Pointer)会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号(称为地址)，可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的 *** 作，它将告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。

假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。

基本上，CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下，一条指令可以包含按明确顺序执行的许多 *** 作，CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指令后，CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生你在显示器上所看到的结果。我们很容易想到，在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个 *** 作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间，这就是我们所熟悉的CPU的标称速度，也称为主频。主频数值越高，表明CPU的工作速度越快。

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