作者 | 江山本无恙（酷友）

这篇文章介绍了芯片的原理以及为什么制造那么困难，整个芯片行业的概况。读完这篇文章你将了解华为的芯片究竟是怎么回事，为什么其他手机厂商制造不出来芯片，雷军说的芯片沙子价是真的吗？因特尔，苹果，AMD 在芯片行业里面都扮演了什么角色，为什么台积电那么牛，我们生活中哪些不起眼的东西都用了芯片。芯片，半导体，集成电路是一个东西吗？

在读这篇文章之前，我们需要一些基础的物理和化学知识。放轻松，只要高中毕业，我保证你可以看懂。

Bingo，那我们出发吧！

化学元素周期表

高中化学告诉我们，构成物质最基础的微粒是原子，原子在化学反应中不可分割。这张元素周期表的所有元素即为构成我们这个世界的基础。所有一切的物质都是由这 118 种元素构成。

而原子由原子核和核外电子组成，核外电子绕着原子核做高速无规律运动。而原子核又分为质子和中子。质子带正电或者负电，中子不带电，核外电子带负电或者正电，和质子所带电中和，一般情况下不显电性，当核外电子不足以中和质子所带电时，便会变成离子。

而这些核外电子在原子核外的运动是在一定轨道上运行，你可以把它想象成高速公路。这些高速公路我们称之为电子轨道。当一些轨道靠的特别近的时候，就会合并成为一个轨道，我们称之为能带，而那些比较窄的轨道我们称之为能级。

接下来，我们需要引入三个概念，导体，半导体，绝缘体。当这些电子轨道上的电子可以自由运动时，就意味着可以导电，我们称为导体，而那些电子轨道上电子一动不动，就像高速路堵车时我们称之为绝缘体。导体和绝缘体属于两个直男，没有什么研究价值，几百年过去了，最常用的导体仍然是铜。

半导体也就是说有时候可以导电，有时候不可以导电。它取决于满轨和空轨之间的距离。当二者距离近的时候，电子从满轨跑到空轨，就变成导体。当二者距离远的时候，电子在满轨上无法动弹，也就变成了绝缘体。而一般情况下，满轨和空轨之间有一定距离，电子无法自发跑过去，需要借助一个力，加个能量，才能变成导体。当然，两个轨道之间的距离在 5ev 之内才能更好的跨越。

科学家在经过大量的实验后，发现硅作为这种半导体最合适。而硅的来源就是我们经常见到的沙子，它的主要成分是二氧化硅。

硅，硼，磷的电子结构

我们可以看到，硅的最外层是 4 个电子，当我们有 100 个硅原子时，满轨道就挤满了 400 个电子，这个时候，用 10 个硼原子取代 10 个硅原子，就会有 10 个空位出来，类似于公交车空出了 10 个位置，我们把它叫做 P 型半导体。

同理，我们也可以用 10 个磷原子来取代 10 个硅原子，这时候不仅没有空位，还多出 10 个电子，相当于印度的公交车外挂了 10 个人，我们把它叫做 N 型半导体。

印度公交车，类似于 N 型半导体

当我们把 P 型半导体和 N 型半导体放在一起时，大名鼎鼎的 PN 结便诞生了，N 型的额外电子必然跑到 P 型的空位上去，一直到电场平衡为止，这是芯片的最根本原理。

这时候再加个正向的电压，N 型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到 P 型半导体的空位上，电子的移动就是电流，这时的 PN 结就是导电的。如果加个反向的电压呢？从 P 型半导体那里再抽电子到 N 型半导体，而 N 型早已挂满了额外的电子，多出来的电子不断增强电场，直至抵消外加的电压，电子就不再继续移动，此时 PN 结就是不导电的。当然，实际上还是会有微弱的电子移动，但和正向电流相比可忽略不计。

到这里，我们就拥有了 PN 结，再在两端加根导线，就变成了我们熟知的半导体。下面，我们将要用到一点点电路知识，理解什么是与门电路与或门电路。