一、晶体管原理

晶体管几乎改变了整个世界，一切以半导体为基础的电子元器件都离不开晶体管。令人惊讶的是，首个可运行晶体管于1947年12月23日面世，距今已有70多年！晶体管或许是人们发明的最具革命性的元器件之一。它的出现为集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。
制作晶体管的主要材料为硅，硅原子外层有四个电子，处于不稳定状态。为了保持稳定，硅原子会和其他的硅原子相结合，从而形成8个电子的稳定结构。为了增强硅的导电性，需要对硅进行掺杂，当往硅里掺入拥有5个电子的磷元素时，此时会多出来一个可自由移动的电子，这种半导体被称为N型半导体。如果我们往里面掺入拥有3个电子的硼元素时，当与硅结合时，会缺少一个电子，从而形成了一个空穴。它的电子可以通过移动来填充整个空穴，这种半导体被称为P型半导体。
现在我们分别使用磷元素和硼元素对硅进行掺杂，这样就形成了一个PN结。

一开始，N型半导体的边界会有一些自由电子流向P型半导体，并填充里面的空穴，这会导致P型半导体的边界带少量的负电，而N型半导体的边界则会带少量的正电，从而产生内建电场。内建电场会阻止电子继续迁移，所以就会在中间形成耗尽层。
如果我们在PN结上连接上电池，当电源的正极接在PN结的N端，负极接P端时，称外加反向电压。此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变宽，增强内电场，使扩散运动减弱，漂移运动加剧，形成反向电流，称漂移电流，由于少子数目极少，故反向电流可忽略不计，PN结处于截止状态。

当电源的正极接在PN结的P端，负极接N端时，称外加正向电压。此时外电场将多数载流子推向空间电荷区，使其变窄，削弱内电场，使扩散运动加剧，漂移运动减弱，由于电源作用，扩散运动源源不断地进行，从而形成正向电流，PN结导通。

NPN型半导体

如上文所描述的，PN节点具有单向导通性。当我们换一种形式，分别在三个不同的位置向硅里掺杂磷元素和硼元素

如上图所示，当连接栅极的电池过小时，流往栅极的电子就会减少，从而打不破PN结壁垒，源漏两级就不会导通。当栅极电压大的时候，流往栅极的电子就会变大，达到一定程度，源漏两级就会导通。

CPU内部的晶体管也就是这样的原理，它内部集成了上亿的晶体管。那一个硅原子，原型硅是如何被制作变成一个CPU芯片的呢？

二、芯片制造

2.1 晶圆制造

将石英石捣碎后，放入石英坩埚，通过高温提炼后，再放入籽晶。然后再向上提拉籽晶，就能得到一根高纯度的硅锭。接着将硅锭切割成厚度只有0.7mm的硅晶圆。得到硅晶圆后，接下来要做的就是对晶圆进行氧化。

2.2 晶圆氧化

将晶圆每25张放在一起，然后放入晶圆传送盒内，传送盒会顺着导轨来到氧化设备内。再这里晶圆会与设备内的氧气发生反应。从而再晶圆外面生成一层二氧化硅。

2.3 涂覆光刻胶

接着进入涂胶工艺，将晶圆放入光刻胶涂布机，涂布机会在晶圆表面涂上一层极其均匀的光刻胶。涂完光刻胶的晶圆会进行软烘焙，用于蒸发掉光刻胶中的一部分溶剂。之后将来到芯片制造最难的工艺，也就是光刻工艺。

2.4 光刻工艺

这部分需要用到光刻机，光刻机主要由EUV光源、聚焦透镜、光掩模、晶圆载体组成。重点说明一下光掩模，光掩模上面雕刻有电路图，它的作用就类似模板喷漆的这个模板。当进行光刻时，光刻机会发射极紫外光，然后通过透镜的层层反射就会将光掩模上的电路图雕刻到晶圆的光刻胶上，接下来需要做的就是显影。

2.5 显影

由于光刻时，紫外光会照射到光刻胶上，被照射的光刻胶就会变成可溶解的状态。当晶圆放入显影机的显影溶液内时可以看到可溶解的光刻胶已经被清洗掉了。然后通过硬烘培来硬化剩余部分的光刻胶，那么晶圆上就剩下和电路图一样的光刻胶了。

2.6 蚀刻

将晶圆放入蚀刻机内，蚀刻机内会通入四氟化碳和氧气，从而形成高能等离子体。等离子体会与晶圆上的没有光刻胶上的部分形成反应，到这里电路图才真正的被雕刻到晶圆上。由于蚀刻完的晶圆导电性很差，所以还需要对晶圆进行离子注入

2.7 离子注入与退火

使用离子注入机往晶圆表面轰击磷元素或者硼元素，磷或者硼就会掺杂到晶圆里面，但是这会导致晶格损坏，所以还需要进行退火处理，来修复晶格。

2.8 剥离光刻胶

离子注入后，晶圆表面的光刻胶就没有用了，所以需要清除。这步骤需要用到光刻胶剥离器，剥离器可以直接将晶圆上剩余的光刻胶溶解掉。

2.9 气相沉积-金属化

上面的步骤完成后，只是将每个晶圆的房子建好了，但是房子与房子之间的路还没有通，所以需要金属化用于连通电路。这步骤需要金属沉积设备，它可以将金属铜沉积到晶圆表面的电路图内，从而在芯片表面形成一层金属铜模。但是进行金属化后，晶圆表面并不平整。所以接下来晶圆会放入设备内进行抛光。

2.10 化学机械抛光

经过研磨后，晶圆表面会变得平滑，并且内部的金属线也暴露了出来。

但是这种芯片只有一层，而CPU芯片一般有大约80层，所以为了做出这样的芯片，我们需要根据前面的每个流程重复执行多达940多个步骤，从而制造处具有多层电路图的晶圆。

2.11 晶圆测试

制作好的晶圆接下来就是要做测试，测试人员会严格测试晶圆上的每一块CPU芯片并找出每块芯片上的电路问题。根据问题的多少，工程师会对这些芯片进行分类从而将芯片分为高端、中端以及低端。测试完成后晶圆会被进行切割，从而切成200多个小芯片。

2.12 芯片分装

小芯片会进行封装，芯片会被安装在一个印刷电路板上，背面会加上一个散热保护盖。

2.13 再测试

对封装后的芯片再测试，测试没问题后，CPU就可以安装到电脑里进行使用了。

三、CPU如何计算？

这里我们演示一下cpu如何进行1+1的运算
按照第一章节晶体管的原理中，我们可以知道，NPN型半导体当源极通电后，如果栅极不通电，那栅极和漏极是无法导通的。但是如果将栅极通电，那源极和漏极就会导通。按照这一原理，我们来设计一个或门电路

3.1 NPN型半导体设计或门电路

上图就是利用两个NPN型半导体设计的或门电路，栅极电源通过两个开关来控制。可以看到这两个开关只要有一个打开，那灯泡就会亮，这是一个很明显的或门电路

3.2 NPN型半导体设计与电路

将第一个NPN半导体的漏极和第二个NPN半导体的源极相连，灯泡连接第二个NPN半导体的漏极，那此时两个开关必须全为打开，灯泡才会亮。只要有一个是关闭的，灯泡就处于熄灭状态。

可以通过这样的设计各种门电路，这里为了要演示加法运算，所以再介绍一个电路，也就是异或门。

3.3 半加器

那如何运算1+1呢，我们将两个开关打开，也就是1+1。此时经过第一个异或门输出为0，所以后面那个灯泡不会点亮。经过与门时，都为1则输出为1，所以前面一个灯泡亮。所以结果为“10”，对应的也就是十进制中的2。
我们也可以验证一下半加器的是否正确
1+0:
异或门输出：1
与门输出：0
最后结果：“01” => 十进制数1

0+1:
异或门输出：1
与门输出：0
最后结果：“01” => 十进制数1

0+0:
异或门输出：0
与门输出：0
最后结果：“00” => 十进制数0

经过验证此加法器完全正确。
那此时我们就可以通过NPN型半导体（晶圆）实现加法运算。CPU实际处理的任务要复杂的很多很多，但是最基础的也就是通过这些基本的门电路实现各种机制的运算。