芯片是由pn结组成得

半导体内自由电子和空穴浓度很小，导电能力弱，那我们能不能想办法增加两种载流子的浓度呢？浓度上去了，导电能力不就增强了吗？办法是有的，那就是掺杂。我们可以在一块半导体两边掺入两种不同的元素：一边掺入三价元素，如硼、铝等。硼的电子分布为2-3，最外层3个电子，在和硅的最外层的4个电子生成共价键时，缺少一个电子，于是从临近的硅原子中夺取一个电子，因此产生一个空穴位。这种掺杂的半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。

我们在半导体的另一边掺杂一些五价元素，比如磷元素。磷原子最外层有5个电子，在和硅原子的最外层4个电子生成共价键时，多出来一个电子，成为自由移动的电子，这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。

我们在一块导体的两边掺入不同的元素，使之成为不同的半导体，一边为P型，一边为N型。

在两者的交汇处，就会形成一个特殊的界面，称为PN结

由于一块半导体两边空穴和自由电子浓度不同，因此在边界处会发生相互扩散。分别越过边界，扩散到对方区域的空穴和自由电子在边界处互相中和掉，P区边界处的空穴被扩散过来的自由电子中和掉后，剩下的都是不能自由移动的负离子；同样，在N区边界处留下的都是正离子，这些正负离子由于不能移动，形成了空间电荷区和耗尽层。同时会在这个区域内形成一个内建电场。这个内建电场阻止P区的空穴继续向N区扩散，同时阻止N区的自由电子向P区扩散，多子的扩散和和少子的漂移从而达到一个平衡。这个区域就是我们所说的PN结。载流子的移动此时已达到平衡，因此流过PN结的电流也为0。

这个PN节看起来也没啥，但它有一个特性：单向导电性。正是这个特性，树立了它的牛X地位，也构成了整个半导体大厦的基础。我们先看看这个特性是怎么实现的：当我们在PN结两端加正电压时，P区接正极，这时候就会削弱PN结的内建电场，平衡破坏，空穴和自由电子向两边扩散，形成电流，呈导电特性。当我们加反向电压时，内建电场增强，阻止了载流子的扩散，不会形成电流，所以呈现高阻特性，不导电。

无论二极管、三极管还是MOSFET场效应管，其内部都是基于PN结原理实现的，我们搞懂了PN结的原理，接下来我们就看看如何在一个晶元上实现PN结：

这就涉及到集成电路工艺的方方面面了，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉淀等步骤。为了简化流程，方便理解，我们就讲讲核心的两个步骤，光刻和离子注入。离子注入就是掺杂，根据前面的理解，就是在硅中掺入三价元素硼和五价元素磷，生成PN结构成的各种元器件和电路。光刻就是在晶元上给后续的离子注入操作开凿各种掺杂窗口。

原理很简单，但如果我们在一个硅衬底上，要实现千万门级的电路，上亿个晶体管，难度就比较大了。尤其是纳米级的电路，比如28nm、14nm，要将千万门级晶体管都刻在一个小小的晶元上，这就要求每个元器件尺寸要非常小，这时候光刻机登场了，光刻机主要用来将你设计的千万门级电路映射到晶元上。这对光刻机的要求非常高，要非常精密

光刻机的作用就是根据掩模，开凿各种掺杂窗口，然后通过离子注入，生成PN节，构建千千万万个元器件。电路中的元器件都是通过这种复杂的工艺、生成不计其数的PN结构成的。同时，离子注入也是一门大学问

这些工艺完成后，在一个晶元上就会有成百上千个芯片的原型：芯片电路，

然后还要经过切割、封装，引出管脚、测试，才会变成市面上我们看到的芯片的样子