同学们第一次被物理课本整懵的，怕是「半导体」这个概念了，所以先帮各位的物理老师，来把这个债给还上。
我们知道原子外层是有电子的，当原子相互紧密连接，组成固体时，就会有很多电子混到一起。
量子力学认为，2 个相同电子没法待在一个轨道上，于是，为了让这些电子不在一个轨道上打架，很多轨道就硬生生分裂成了好几个细轨道。
这么多电子的轨道挤在一起，不小心挨得近了，就变成了宽宽的大轨道。在量子力学里呢，这种细轨道，叫能级，而挤在一起，变成的宽轨道呢，就叫做能带。
有些宽轨道上挤满了电子，电子跟高峰时间的地铁一样，没法自由移动。而有些宽轨道空旷的很，就像车上还有不少空位置，电子就可自由移动。
我来问一个问题，你知道吗为什么有些东西能够导电，有些缺不能呢？这里啊，就可以解释了。
电子可以在宽轨道上移动，宏观上就表现为导电，反过来，电子挤满了，动不了，宏观上就表现为不导电。
我们把事情说得简单一点，先不提「价带、满带、禁带和导带」这些概念，直接圈重点。
有些满轨道和空轨道挨的太近，电子可以毫不费力从满轨道跑到空轨道上，于是就能自由移动，这就是导体。这里多提一嘴，一价金属的导电原理略有不同，它的满轨道上原本就不太满，所以电子不用跑到空轨道也能移动。
但很多时候两条宽轨道之间呢，是有空隙的，电子单靠自己是跨不过去的，表现为不导电。
但如果空隙的宽度在 5 电子伏特，也就是 5ev 之内，给电子加个额外能量，它也能跨到空轨道上，而且跨过去就能自由移动，表现为导电。
这种空隙宽度不超过 5 电子伏特的固体，有时电子能跨过去，有时不能，也就是说，有时导电、有时不导电，所以叫做半导体。
如果宽轨道的空隙超过 5ev，那基本就得歇菜，正常情况下电子是跨不过去的，这就是绝缘体。当然，如果你给的能量足够大的线ev 都照样跑过去。比如说空气属于绝缘体，而高压电就能击穿空气，从而形成电流。
到这里，由量子力学发展出的能带理论就差不多成型了，能带理论系统地解释了导体、绝缘体和半导体的本质区别，也就是说，这三者取决于满轨道和空轨道之间的间隙。学术点说，取决于价带和导带之间的禁带宽度。
这里有个问题，一旦细轨道变少了，能不能挤成宽轨道就不好说了，所以能带理论本质上是一个近似理论，需要很多原子挤在一起，不适用于由少量原子组成的固体。这也是芯片存在发展瓶颈的根本原因。
很明显，像导体的这种直男性格，是没啥好折腾的，所以多少年了，导线依然是铜线，再怎么折腾都没啥本质变化，而另一个极端的绝缘体，它的遭遇其实也差不多。
只有半导体这种暧暧昧昧的性格，最容易搞事情，所以与电子设备相关的如芯片、雷达这些产业，基本都属于半导体产业。
硅的外层有 4 个电子，假设某个固体由 100 个硅原子组成，那么它的满轨道就挤满了 400 个电子，这时电子挤得满满的，无法移动。
这时，用 10 个硼原子取代其中 10 个硅原子，硼这类三价元素外层只有 3 个电子，所以这块固体的满轨道就有了 10 个空位。这就相当于在挤满人的公交车上腾出了几个空位子，为电子的移动提供了条件。这种类型的材料，我们叫它 P 型半导体。
同理，如果用 10 个磷原子取代 10 个硅原子，磷这类五价元素外层有 5 个电子，因此满轨道上反而又多出了 10 个电子。相当于挤满人的公交车外面又挂了 10 个人，这些人非常容易脱离公交车，这种材料我们叫他 N 型半导体。
不用想也知道，挂在公交车外面的 10 个人肯定会跑到另一辆公交车的空位上。也就是说，N 型那些额外的电子必然是往 P 型那些空位上跑去，直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的「PN 结」。
这时候，咱们再加个正向的电压，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？让本来就有空位的公交上，再把人往另一辆坐满挂票的人的车上送。
那肯定就不容易上车了。而且从 P 型半导体那里再抽电子到 N 型半导体，随着坐挂票的电子越来越多，电场就会不断增强，一直到抵消了外加的电压为止，这时电子就不再继续移动，此时的 PN 结呢，就是不导电的。
当然了，这是理论的理想情况，实际上还是会有微弱的电子移动，但跟正向电流相比呢，这个可以忽略不计。
说到这里，如果你已经被整晕了，没关系，我用普通人类的语言总结一下：PN 结具有单向导电性，也就是说，电流只能从 A 流向 B，无法从 B 流向 A。
我们现在已经有了单向导电的 PN 结，然后呢？把 PN 结两端接上导线，我们就合成了一个重要道具：二极管。
有了二极管，通过组合，就能搭出一个电路来。在这个电路里，有两路输入，一路输出，然后就可以实现这么一个功能：只要其中一路输入有电压，输出就有电压，这叫或门电路，或者的或，大门的门。
改一改就可以变成这样：必须要两路都输入电压，输出端才会有电压，这叫与门电路。这类电路叫逻辑门电路。
现在有了这些逻辑门电路，咱们啊，离芯片就不远了。你可以设计出一种电路，它拥有一大堆的逻辑门电路，有很多输入端和输出端，然后把有电压看作 1，没电压的看作 0，这个电路就可以把一串 1 和 0，变成另一串 1 和 0。
一不小心，我们就得到了芯片运算的本质：把一串 1,0，变成另一串 1,0。
简单举个例子，某个电路左边 4 根线 根线作为输出，现在左边输入 1010，也就是在第 1 根和第 3 根线上加电压，那么，右边就会输出 0101，也是第 2 根和第 4 根线有电压，这就算完成了一次运算。
我们来玩个稍微复杂一点的局，把左边的输入线 根，接上键盘，右边的输出线 个发光管组成一个数字 8。通过逻辑门电路的巧妙安排，键盘就可以控制发光管的发亮顺序。
如果你想进行 1+1 的加法运算，其电路的复杂程度就已经超过了 99% 的人的智商了，即便老师我亲自出手，设计的电路运算能力也抵不过一副算盘。
直到有一天，有人用 18000 只电子管，6000 个开关，7000 只电阻，10000 只电容，50 万条导线组成了一个超级复杂的电路，诞生了人类第一台计算机。
重量呢，挺重的，足足 30 吨，运算能力呢，只有 5000 次每秒，这速度还不及现在手持计算器的十分之一。即便如此，当时的工程师为了安装这堆电路，不知道脑子被搞抽筋了多少回。
接下来的思路就相对简单了，把这 30 吨的庞然大物，集成到指甲那么大的地方上去。做成了，它就变成了我们现在说的的芯片。
芯片，原料是地球上储量最丰富、最廉价的沙子，也就是二氧化硅，但它的出现，成就了咱们这个星球的科技之巅，从沙子到芯片，最佳逆袭奖颁给它，那可是实至名归！
后来，为了把 30 吨的运算电路体积缩小，聪明的工程师们把能扔的东西全扔了，直接在硅片上制作 PN 结和电路。多么的神奇呀！
把硅石氯化之后再蒸馏，我们可以得到纯度很高的硅。不过这种硅原子排列混乱，会影响电子运动，我们叫它多晶硅吧。
硅的主要评判指标是纯度，你想想，如果硅原子之间有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。
无论啥东西，纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求 99.9999%，这玩意儿全世界超过一半是中国产的，早被玩成了白菜价。
而芯片用的电子级高纯硅要求 99.999999999%（ 11 个 9），目前我国几乎全部都需要进口，直到 2018 年江苏的鑫华公司实现了量产，鼓掌!只是目前产量少得可怜，还不及进口的一个零头。
不过,鑫华的高纯硅出口到了韩国这个半导体强国，所以他们的品质应该是很不错的。先别高兴，再来一盆冷水，目前他们 30% 的制造设备还得进口。
电子级高纯硅的传统霸主依然是德国 Wacker 和美国 Hemlock（美日合资），中国还有很长的路要走。
切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的地方呢叫做「晶圆厂」。
难道是原子操纵术？想多了，朋友！这可不是修仙，哪怕你到练成御剑飞行，元婴大成，人类还不见得能操纵一个一个原子来组成各种器件呢。
首先我们在晶圆上要涂一层感光材料，这种材料见光就融化，那光从哪里来？当然是光刻机了，光刻机可以用非常精细的光线，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆出来。
然后，用等离子体这类东西进行冲刷，部分的晶圆就会被刻出很多沟槽。这套设备就叫刻蚀机。然后，我们再用离子注入机在刻出来的沟槽里掺入磷元素，加热退火处理，就得到了一堆 N 型半导体。
完成之后，把晶圆清洗干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻图，用刻蚀机刻上沟槽，再用离子注入机撒上硼元素，当当，咱们就有了 P 型半导体。
大家肯定看到过晶圆的图片。一块晶圆上的一个个排列整齐的小方块就是芯片。一块晶圆可以做很多个芯片。
芯片放大了看就是成堆成堆的电路，这些电路其最底层都是简单的门电路。他们并不比那台 30 吨重的计算机的电路更高明，但是由于采用了更多的器件，组成了更庞大的电路，其运算性能自然就提高了。
在这里有些同学可能会有个疑问：为什么不把芯片做的更大一点呢？这样不就可以安装更多电路了吗？性能不就赶上外国了嘛？
我们来算个账，比如说，7nm 工艺可以在 1 平方厘米的面积上安装 100 亿个晶体管，而 10nm 工艺大约是 50 亿个，所以这笔账就很简单了。
芯片越小，一张晶圆能切出的芯片就越多，价格自然更划算，在市场上就能死死摁住竞争对手，赚了钱又可以做更多研发，差距就这么拉开了。那你说，咱们芯片是要做大还是做小？
这里说个题外话，中国军用芯片基本实现了自给自足，而且性能杠杠的，因为军用不计较钱嘛！
可以把芯片做的比较大的。另外，越大的硅片遇到杂质的概率越大，所以芯片越大良品率越低。总的来说，大芯片的成本远远高于小芯片，不过对军方来说，这些统统都不叫事儿。
除了成本之外，大芯片的布线比小芯片更长，所以延时也更明显，驱动电流也大 很多，这会导致整体设计更臃肿，性能上还是会吃亏。反正，小芯片就是比大芯片好用。
用 70 亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路，想想就头皮发麻！一个路口红绿灯设置不合理，就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去，稍微有个 PN 结出问题，电子同样会堵车。所以芯片的设计异常重要，重要到了和材料技术相提并论的地步。
这么复杂的设计，必须得先有个章法。七十年代，英特尔率先想出了一个好办法：X86 架构。详细内容不提了，简单来说，这架构虽然能耗高点、体积大点，但性能那是嗖嗖的，几乎垄断了电脑芯片市场，成就了如日中天的英特尔。
这相当于，英特尔提出造汽车用 4 个轮子，以后其他人想造 4 个轮子的汽车，就得先付授权费。这尼玛怎么忍，随后英国 ARM 公司提出了 2 个轮子的汽车方案：ARM 架构。
毫无疑问，2 个轮子肯定跑不过 4 个轮子，ARM 架构虽然省电小巧，但性能实在有点寒碜，于是一直被英特尔摁着打。ARM 熬到了九十年代，终于熬不住了，决定不再生产芯片，而是将 ARM 架构授权给其他公司生产，赚点授权费，这才保住了一条命。