半導體是現代技術的基礎。了解它們的工作原理和製作方法。

半導體在幕後孜孜不倦地工作，為我們周圍的世界提供動力—從您家中的技術到治療致命疾病的實驗室。它們是現代技術的基礎。沒有它們，全球數十億設備將無法運行。但半導體到底是什麼？它們是如何製作的？

讓我們開始吧。術語“半導體 semiconductor ”是指可以改變以傳導電流或阻止電流通過的材料。然而，它更常見的是指集成電路（IC, integrated circuit）或計算機芯片 computer chip。最常見的半導體材料是矽 silicon。毫不奇怪，矽也是計算機芯片的主要成分。

半導體小如指甲蓋，可以說是有史以來製造的最複雜的產品。普通芯片僅約 1 毫米(millimeter)厚，​​包含大約​​ 30 層不同的組件和電線（稱為互連 interconnects），構成其複雜的電路。數十億個稱為晶體管的微型開關使半導體得以工作。

1. Mask 操作

工程師獲取數字藍圖並將其轉換為玻璃模板，稱為masks。它們用於製造光刻或“光印刷”。當masks 工程師完成每個masks 後，他們會將它們發送到製造工廠（或晶圓廠）開始製造。

什麼是masks？

masks 是用於將電路印刷到矽晶片上的模板。masks 工程師使用芯片設計師的計算機繪圖作為藍圖。這些圖紙被輸入機器，將數據轉換為電子束，將電路圖案複製到僅四分之一英寸厚的 6 x 6 英寸石英片上。這些石英方塊稱為masks 。製作芯片的所有層可能需要 50 多個masks 。

2. 製作Fabrication

技術人員穿著兔子服，在潔淨室中使用高科技設備在矽晶圓上創建多層電路和器件。每個晶圓將包含數百個芯片。從這裡，晶圓廠將成品晶圓發送到芯片/分類準備設施。

什麼是光刻 photolithography？

矽片是由從沙子中提取的矽製成的。技術人員使用光刻機將光線穿過掩模來重新創建圖案。透鏡縮小圖像並將其引導到晶圓表面。這是對每一層晶體管和電線連接使用不同的masks 重複完成的。最終，晶圓上將刻有數百甚至數千個微小的單個芯片。

3. Die/sort prep

在這些設施中，金剛石鋸將晶圓切割成數千個指甲蓋大小的獨立矩形，每個矩形都稱為芯片die 或 computer chip。 Die and sort prep 機器挑選工作芯片並將它們交給另一台機器，將它們放置在捲軸上。這些被送到組裝和測試工廠 (assembly and test)。

4. 組裝與測試 (Assembly and test)

在這裡，技術人員對每個模具進行最後一次測試，以確保它們健康且可以使用。如果通過，它們將被安裝在散熱器和基板之間，形成光滑的封閉式封裝。外部封裝可保護芯片免受損壞、熱量和污染物的影響。在計算機內部，封裝形成芯片和電路板之間的電氣連接。

5. 成品倉庫/樞紐 (Finished goods warehouses/hubs)

從這裡，物流專業人員可以將芯片直接發送給某些客戶，例如係統製造商。或者他們將它們運送到全球分銷中心。從這些中心，芯片可能會裝在托盤中發送給原始設備製造商或裝箱零售。

主要處理器架構

半導體有很多種，每種都有自己的專業（以及自己的縮寫）。熟悉各種半導體並詳細了解它們的用途。

• FPGA(現場可編程門陣列；軟件可配置電路) 通常用於需要經常更改的應用，包括加速、通信、電路設計。
• 圖形處理器 GPU(圖形處理單元) 製作圖像；加速高度並行操作。
• 中央處理器 CPU 運行計算機及其所有程序。
• 專用集成電路 ASIC 很快就能做一件事，包括深度學習、加密和網絡處理。

半導體無處不在: 美國成年人平均每天使用電子產品的時間超過 12 小時，例如電腦、移動設備、電視和汽車。這些設備均由半導體提供動力，可以改善我們的生活、提高生產力並推動經濟增長。