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王水弟:集成电路的奥秘

王水弟-专家

王水弟北京市老党员先锋队总队科技科普服务团副团长

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在开讲前,我把今天讲座涉及的关键词列出来,第一个是集成电路,第二个是芯片。其实,芯片就是集成电路,是它的一种简称。第三个是管芯,第四个是晶体管,第五个是硅圆片,简称“硅片”。

一、手机里的秘密

手机,我想大家都非常熟悉,但大家有没有想过,手机里面到底有什么?今天,我们就“层层剖开”手机探寻其中的秘密。

如果拆开手机壳,我们首先看到的是一块电路板,以及电路板上的很多电子元件,而其中的一些黑色塑料方块就是集成电路(芯片)。这就是第一个和第二个关键词集成电路和芯片。

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如图所示,电路板上的五个红点就是集成电路。也就是说,这部手机里有五个集成电路,或是五个芯片。

那么笔记本电脑呢,会有多少个集成电路?笔记本电脑要比手机复杂得多,集成电路的数量也多得多。

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如图所示,图中红点所标示出来的就是集成电路,而且仅是电路板的一面,还都是面积比较大的。也就是说,另一面还有大大小小、许许多多的集成电路。

集成电路根据功能设计的不同、样式也各不相同,比如华为研发的用于5G通信的麒麟990芯片。

现在,我们知道了手机里有很多集成电路,那么集成电路里有什么样的秘密?

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如图所示,我们把集成电路的塑料外壳拆下一个角,就会看到集成电路最关键的部分——管芯。这就是我们开篇提到的第三个关键词。除此之外,我们还会看到外壳引线和内部连线。通过外壳引线和内部连线将信号传输到管芯上。可见,一块集成电路就由这四部分组成。

那么接下来,我们来看看集成电路最关键的部分管芯里有什么?实际上管芯非常非常的小,需要在显微镜下才能看清楚。

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如图所示,上方长方形图片就是管芯在显微镜下的图片,这是由几十张图片拼接而成的。但这复杂的结构,大家很难看清楚。那么,我把左上角的绿色方框处继续用显微镜放大,大家就看到了左下角的图片。图片中的白色方块就是管芯的引出端,中间是一些密密麻麻的线条。那么,这些线条是什么?我再把这部分放大。

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如图所示,大家看到的这个绿色电路板,主要由集成电路生产最常使用的衬底材料硅制成。上面有非常多的白色方块和线条,也就是晶体管和金属连线。这就涉及第四个关键词晶体管。

那么,晶体管是什么?简单地讲,晶体管是用半导体材料(硅)做的可以放大电信号的元件。

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如图,左边展示的是一种晶体管的结构,右边显示的是这种晶体管的符号。

那么,晶体管是由谁发明的?1948年,威廉·肖克利、约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿在经过多次失败之后终于实现了第一个半导体晶体管。三人也因此在1956年获得了诺贝尔物理学奖。

小结:我们通过把手机层层拆解,了解其中的电子元件,从电路板到集成电路,也就是芯片,再到集成电路最关键的部分管芯,以及管芯内部的晶体管和金属连线。可以说,手机里最重要的电子元件就是集成电路(芯片)。

责任编辑:赵苇校对:刘宇同最后修改:
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