浙江
很多人觉得量子力学只是物理学家的数学游戏，没有什么应用价值，甚至很多外行怀疑量子力学只是物理学家在故弄玄虚。
这回，咱们给计算机芯片寻个祖宗，看看20世纪人类最伟大的发明和20世纪人类最伟大的理论之间是个什么关系。
导体，咱们能理解，绝缘体，咱们也能理解，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呢，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，有些却不能呢？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。
好了，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话，别说5ev的空隙，50ev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。
半导体我们知道是怎么回事了，但是呢，它离芯片的原理还很遥远，大家别急。
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。
说到下面有点烧脑细胞。
经过计算筛选，科学家选择了用硅来作为半导体的基础材料。
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。
现在把PN这两种半导体面对面，放在一起会怎么样？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。
好了，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根线作为输入，右边4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，把左边的输入线增加到8根，接上键盘，右边的输出线增加到7根，接上发光管，7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。
终于，我们已经搞定了数字是如何显示的！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！
那么，下面从硅片出发，我们就来聊聊芯片的逆袭之路。
第一步：硅
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。
把多晶硅熔化了，按特定方法旋转提拉，就可以得到原子排列整齐的单晶硅。
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得顺畅。
无论啥东西，纯度越高制作难度越大。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年江苏的鑫华公司才实现了量产，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。
第二步：咱们说说晶圆
