从4004到core i7——处理器的进化史-CPU构成零件-1

在下面的两个帖子当中，我将简短地介绍构成CPU的零件，一种晶体管。我将展示如何完成最简单的设计，这相当于IC设计中的Hello world，并且略微提到Hello world的几种变体。

为了防止下面的内容显得突兀，再铺垫一点最最基础的半导体知识。

硅是地壳中含量第二大的元素。

凑巧的是，它处于金属、非金属分界线上。这也就是说，它的导电能力介于纯粹的导体和纯粹的绝缘体之间。

最纯净的单晶硅(纯度超过99.9999%)略微导电，导电性主要受温度控制。这就是本征半导体。

硅有4个价电子。这就意味着，如果我们掺入3价元素，例如硼，就会有一个空穴;如果我们掺入5价元素，比如磷，就会多出一个价电子。也就是说，我们可以造出P型和N型半导体。其中P=positive,N=negative，说的是其中自由移动的带电粒子的电荷性。更加凑巧的是，掺杂的浓度可以控制其中带电粒子的浓度(温度的影响相对杂质而言较小)，进而控制其电导率。

将P性和N性的材料接触便会形成PN结。我在此不会涉及PN结的详细解释，那需要用到能带理论。仅仅知道PN结在P->N的足够大的外电场(>0.7V典型值)下可以认为短路，在N->P的外电场下可以认为断路就足够了。

现在我们有了可以自由控制硅片上某一区域导电性的方法，还知道了怎样制造一个最简单的电流的单向阀——PN结。这两个事实是一切半导体IC的基石。

现在我们请出我们的砖瓦：为了给它一个隆重的登场，我另起一行，它就是：

金属——氧化物——半导体 场效应 晶体管

Metal - Oxide - Semiconductor Field-Effect Transistor

肯定有不少人见到它的昵称——MOSFET，或者干脆简称MOS管。

下面发一张MOS管的靓照：

再来一张生理结构图

最后来一张符号图

注意，MOSFET有P沟道和N沟道两种类型。

好了，我说过我不会过于深入器件，所以我简短的陈述一下MOSFET工作的原理，我们就以N沟道型MOS管为例，就是上面第二张图片中的管子。

MOS管是4端元件，分别是源、漏、门(栅)、底衬。

其中，门极通过一层二氧化硅和其余的部分绝缘，它仅能通过自身积累的电荷产生的电场施加影响而不能产生长久的电流。注意这个特性决定了MOS管的低功耗性能非常优异。

漏极和栅极平常通过底衬被分割开来。注意这样形成了N-P-N结构。根据上面的知识，正常情况下无论怎样的漏-源电压都无法使电流通过：两个PN结中总有一个是反向偏置的。

但是当栅极上有正电荷时神奇的事情就发生了：它产生的电场将源极(N+表示高掺杂的N型半导体，富含自由电子)的一些电子扫入底衬，并且牢牢控制在正对着它的漏-源之间的上表面(沟道)。上表面薄薄一层之内积聚了如此多的自由电子，以至于它再也不是P型半导体了——它成了N型。(发生了半导体强反型)万岁!我们终于将漏——源联系了起来，电流可以在其中通过了。注意到，这种联系是我们可以控制的。也就是说，我们有了一个电压控制的开关。这也就意味着，我们可以开始构建CPU的第一步了。

为了避免过度简化事物，我在此还是不得不提一下MOSFET的详细性质。又由于篇幅限制，我不得不将大段内容略去。建议想要真的理解我试图表达的后续内容的外行人勤奋的自行wiki。

1)MOSFET有3个工作区：亚阈值、阻性区(线性区)、饱和区(放大区，恒流源区)

2)MOSFET有一些2阶效应。在深亚微米条件下，MOSFET变得如此的小，以至于这些原本可以忽略不计只存在于文献中的特性变得如此的显著以至于大量的技术被发明来控制MOSFET管对于理想电压开关模型的偏离。注意!!!这里有一个重要的设计思想：控制你的器件，不要让它变得太复杂。如果它变得太复杂，就想方设法让它变得简单，或者干脆换一个器件。

这些2阶效应中有一些你肯定听说过：

沟道长度调制效应

阈值偏移

亚阈值导通

速度饱和

热载流子效应

闩锁