集成电路和芯片的关系与处理器与晶体管什么关系

我想知道手机或者电脑里面cpu。芯片是怎么做的呢?_百度知道
我想知道手机或者电脑里面cpu。芯片是怎么做的呢?
为什么芯片可以有这么多功能 ?到底是如何做到的?
我有更好的答案
这么来说吧,一般来说CPU厂商上产的CPU里面还有一种核心东西叫内核。一般内核基本都是ARM或者因特尔开发的,ARM内核的优势是功耗低,英特尔内核是功能强大。ARM内核主要应用在嵌入式(例如手机,智能芯片等等)里面,英特尔内核主要应用在电脑上。然后不同的CPU厂商购买内核的授权再去进行设计,主要是加入一些内存啊等,内存分为数据存储器,程序存储器等等。其实上说白了CPU的主要功能是提供电压,中断,串口,计数等功能。说白了就是一个没有太大用途的未开发的土地。真正要实行那些强大的功能,需要那些研发者根据端口要求等设计出达到要求的硬件电路,然后通过硬件电路写出相应的驱动程序,然后在主程序里面调用者这些驱动程序,写出要实现的代码就可以实现其功能了。
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CPU里面由很多电子零件组成,由于太细小(纳米级),所以世界上只有几家工厂能生产
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CPU的生产过程编辑要了解CPU的生产工艺,我们需要先知道CPU是怎么被制造出来的。(1)生产CPU等芯片的材料是半导体,现阶段主要的材料是硅Si,这是一种非金属元素,从化学的角度来看,由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处,所以具有半导体的性质,适合于制造各种微小的晶体管,是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。在硅提纯的过程中,原材料硅将被熔化,并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种,以便硅晶体围着这颗晶种生长,直到形成一个几近完美的单晶硅。以往的硅锭的直径大都是300毫米,而CPU厂商正在增加300毫米晶圆的生产。(2)硅锭造出来了,并被整型成一个完美的圆柱体,接下来将被切割成片状,称为晶圆。晶圆才被真正用于CPU的制造。所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片,并将其划分成多个细小的区域,每个区域都将成为一个CPU的内核(Die)。一般来说,晶圆切得越薄,相同量的硅材料能够制造的CPU成品就越多。(3)在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质,紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片,被紫外线照射的地方光阻物质溶解。而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰,必须制作遮罩来遮蔽这些区域。这是个相当复杂的过程,每一个遮罩的复杂程度得用10GB数据来描述。(4)这是CPU生产过程中重要操作,也是CPU工业中的重头技术。蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上,使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩,使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜,以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。然后,曝光的硅将被原子轰击,使得暴露的硅基片局部掺杂,从而改变这些区域的导电状态,以制造出N井或P井,结合上面制造的基片,CPU的门电路就完成了。(5)为加工新的一层电路,再次生长硅氧化物,然后沉积一层多晶硅,涂敷光阻物质,重复影印、蚀刻过程,得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复多遍,形成一个3D的结构,这才是最终的CPU的核心。每几层中间都要填上金属作为导体。Intel的Pentium 4处理器有7层,而AMD的Athlon 64则达到了9层。层数决定于设计时CPU的布局,以及通过的电流大小。(6)这时的CPU是一块块晶圆,它还不能直接被用户使用,必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中,这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。封装结构各有不同,但越高级的CPU封装也越复杂,新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升,并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。(7)测试是一个CPU制造的重要环节,也是一块CPU出厂前必要的考验。这一步将测试晶圆的电气性能,以检查是否出了什么差错,以及这些差错出现在哪个步骤(如果可能的话)。接下来,晶圆上的每个CPU核心都将被分开测试。由于SRAM(静态随机存储器,CPU中缓存的基本组成)结构复杂、密度高,所以缓存是CPU中容易出问题的部分,对缓存的测试也是CPU测试中的重要部分。每块CPU将被进行完全测试,以检验其全部功能。某些CPU能够在较高的频率下运行,所以被标上了较高的频率;而有些CPU因为种种原因运行频率较低,所以被标上了较低的频率。最后,个别CPU可能存在某些功能上的缺陷,如果问题出在缓存上,制造商仍然可以屏蔽掉它的部分缓存,这意味着这块CPU依然能够出售,只是它可能是Celeron等低端产品。当CPU被放进包装盒之前,一般还要进行最后一次测试,以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运行频率和缓存的不同,它们被放进不同的包装,销往世界各地。2随着生产工艺的进步,CPU应该是越做越小?可为什么现在CPU好像尺寸并没有减少多少,那么是什么原因呢?实际上CPU厂商很希望把CPU的集成度进一步提高,同样也需要把CPU做得更小,但是因为现在的生产工艺还达不到这个要求。生产工艺这4个字到底包含些什么内容呢,这其中有多少高精尖技术的汇聚,CPU生产厂商是如何应对的呢?下文将根据上面CPU制造的7个步骤展开叙述,让我们一起了解当今不断进步的CPU生产工艺。1硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸越大越好,因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如,同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心,而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心,300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍,出产的处理器个数却是后者的2.385倍,并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少,因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。然而,硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸,那就是在晶圆生产过程中,离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展,坏点数呈上升趋势,这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。总的来说,一套特定的硅晶圆生产设备所能生产的硅晶圆尺寸是固定的,如果对原设备进行改造来生产新尺寸的硅晶圆的话,花费的资金是相当惊人的,这些费用几乎可以建造一个新的生产工厂。不过半导体生产商们也总是尽最大努力控制晶圆上坏点的数量,生产更大尺寸的晶圆,比如8086 CPU制造时最初所使用的晶圆尺寸是50mm,生产Pentium 4时使用200mm的硅晶圆,而Intel新一代Pentium 4 Prescott则使用300mm尺寸硅晶圆生产。300mm晶圆被主要使用在90纳米以及65纳米的芯片制造上。2蚀刻尺寸是制造设备在一个硅晶圆上所能蚀刻的一个最小尺寸,是CPU核心制造的关键技术参数。在制造工艺相同时,晶体管越多处理器内核尺寸就越大,一块硅晶圆所能生产的芯片的数量就越少,每颗CPU的成本就要随之提高。反之,如果更先进的制造工艺,意味着所能蚀刻的尺寸越小,一块晶圆所能生产的芯片就越多,成本也就随之降低。比如8086的蚀刻尺寸为3μm,Pentium的蚀刻尺寸是0.90μm,而Pentium 4的蚀刻尺寸当前是0.09μm(90纳米)。目前Intel的300mm尺寸硅晶圆厂可以做到0.065μm(65纳米)的蚀刻尺寸。此外,每一款CPU在研发完毕时其内核架构就已经固定了,后期并不能对核心逻辑再作过大的修改。因此,随着频率的提升,它所产生的热量也随之提高,而更先进的蚀刻技术另一个重要优点就是可以减小晶体管间电阻,让CPU所需的电压降低,从而使驱动它们所需要的功率也大幅度减小。所以我们看到每一款新CPU核心,其电压较前一代产品都有相应降低,又由于很多因素的抵消,这种下降趋势并不明显。我们前面提到了蚀刻这个过程是由光完成的,所以用于蚀刻的光的波长就是该技术提升的关键。目前在CPU制造中主要是采用2489埃和1930埃(1埃=0.1纳米)波长的氪/氟紫外线,1930埃的波长用在芯片的关键点上,主要应用于0.18微米和0.13微米制程中,而目前Intel是最新的90纳米制程则采用了波长更短的1930埃的氩/氟紫外线。以上两点就是CPU制造工艺中的两个因素决定,也是基础的生产工艺。这里有些问题要说明一下。Intel是全球制造技术最先进且拥有工厂最多的公司(Intel有10家以上的工厂做CPU),它掌握的技术也相当多,后面有详细叙述。AMD和Intel相比则是一家小公司,加上新工厂Fab36,它有3家左右的CPU制造工厂。同时AMD没有能力自己研发很多新技术,它主要是通过战略合作关系获取技术。在0.25微米制程上,AMD和Intel在技术上处于同一水平,不过在向0.18微米转移时落在了后面。在感觉无法独自赶上Intel之后,AMD和摩托罗拉建立了战略合作伙伴关系。摩托罗拉拥有很多先进的电子制造技术,用于Apple电脑PowerPC的芯片HiPerMOS7(HiP7)就是他们完成的;AMD在获得授权后一下子就拥有了很多新技术,其中部分技术甚至比Intel的0.13微米技术还要好。现在AMD选择了IBM来共同开发65纳米和45纳米制造技术。它选择的这些都是相当有前景的合作伙伴,特别是IBM,一直作为业界的技术领袖,它是第一个使用铜互连、第一个使用低K值介电物质、第一个使用SOI等技术的公司。AMD获得的大多数技术很先进,而且对生产设备的要求不高,生产成本控制的很低,这也是AMD的优势。图为AMD的新工厂Fab36中采用的APM 3.0 (Automated Precision Manufacturing)技术,可进一步实现制造的自动化,效率化。同时AMD还建造了自己的无尘实验室。3在前面的第5节“重复、分层”中,我们知道了不同CPU的内部互连层数是不同的。这和厂商的设计是有关的,但它也可以间接说明CPU制造工艺的水平。这种设计没有什么好说的了,Intel在这方面已经落后了,当他们在0.13微米制程上使用6层技术时,其他厂商已经使用7层技术了;而当Intel准备好使用7层时,IBM已经开始了8层技术;当Intel在Prescott中引人7层带有Low k绝缘层的铜连接时,AMD已经用上9层技术了。更多的互连层可以在生产上亿个晶体管的CPU(比如Prescott)时提供更高的灵活性。我们知道当晶体管的尺寸不断减小而处理器上集成的晶体管又越来越多的时候,连接这些晶体管的金属线路就更加重要了。特别是金属线路的容量直接影响信息传送的速度。在90纳米制程上,Intel推出了新的绝缘含碳的二氧化硅来取代氟化硅酸盐玻璃,并同时表示这可以增加18%的内部互连效率。
cpu并没有什么功能,而是人用的不是cpu,而是程序,是程序赋予了功能,cpu只是作为程序的支撑而已,说实话cpu只能进行逻辑运算,四则运算,位置运算等等简单得不能再简单得功能,但是在复杂的功能也是由这些简单的运算组成的,所以不要去膜拜cpu而要去感谢程序员
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集成电路:从电子管、晶体管到CPU
  进入20世纪以后,各个科学领域和技术部门的计算需求堆积如山,尤其是二战的爆发,各国进入生死存亡的关头,军事需求极大地催生了各种技术的应用,在这种情况下,对高速计算工具有了更多的需求。尽管依靠计算工人解决了最紧急的需求,但在效率和运算量上却存在天然的缺陷。这也使计算机确定了从到晶体管,从专用设备到全社会普及的发展之路。:二战带来的抉择本文引用地址:
  在教科书中,ENIAC就是电子计算机的起源,而也就在那一刻,确定了其在计算机发展史中的地位。其实,在电子计算机的襁褓期,机电结构还是纯电子计算机,继电器还是电子管?计算机的发展也面临着迷茫中的抉择。
  1943年,当二战激战正酣时,美军迫切需要高速计算工具,以计算炮弹的弹道。在迅速获得15万美元的预算后,速度成为第一诉求,继电器在收到信号后因为有百分之一秒延时而拖慢计算速度注定要被抛弃。而真空三极管的诞生,让计算机可以快速的通过控制栅极电流,来开启或关断电子管两端的电流,获得比继电器速度快成千上万倍的开关速度。这对于提升当时计算机的速度大有好处。正因为这样的优势,让电子管击败继电器,成为早期计算机的核心运算部件。
  在这样的要求下,拥有17468个电子三极管、7200个电子二极管、70000个电阻,10000个电容器、1500个继电器、6000多个开关、重达30吨的ENIAC在三年后,也就是日终于诞生,而让它姗姗来迟的,还是预算,要知道ENIAC最终花了军方48万美元。其每秒执行5000次加法或400次乘法的计算能力在今天看起来微不足道。不过别忘了,之前的Z3计算机每秒只能进行3~4次加法计算,5秒才能计算一次乘法。电子管让计算机有了千倍的速度提升。这也确定了ENIAC的历史地位,并确定了电子管在计算机发展中的重要性。
  第一台电子计算机ENIAC的历史照片
  晶体管计算机:缩小为衣橱大小
  ENIAC的诞生,让科学家们享受了计算的畅快,但却必须痛苦地使用它。不仅因为它贵,更因为电子管实在太耗电,零件的寿命也太短,据说ENIAC每次一开机,整个费城西区的电灯都为之黯然失色。同时接近18000个电子管,几乎每15分钟就可能烧掉一个,但操作人员可能要花15分钟以上的时间才能找出坏掉的管子,使用上极不方便。曾有人调侃道:&只要那部机器可以连续运转五天,而没有一只真空管烧掉,发明人就要额手称庆了&。
  因此在晶体管技术投入实用后,计算机的计算元件也迅速的电子管向晶体管进化,1954年,美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机,取名&催迪克&(TRADIC),装有800个晶体管。而计算机的体积,也由ENIAC的房间般大小,缩小为衣橱般体积。晶体管快速的开关速度和结构的简化以及在催迪克上引入的浮点运算,让其速度有了极大的提高。不过如果近距离看催迪克的话,常常会以为它还是台电子管计算机,因为当年制造工艺的落后,让催迪克上的晶体管依旧使用了玻璃外壳的真空封装,而不像现在的晶体管那样,采用的是塑料或陶瓷封装。
  而军事领域,依旧是当时计算机服务的主要对象,实际上在催迪克诞生后不久,它就被搬到了波音B-52亚音速远程战略轰炸机(即B-52轰炸机)内,1955年,美国在阿塔拉斯洲际导弹上装备了以晶体管为主要元件的小型计算机,计算机的进步直接催生了军事的发展。
  首台晶体管计算机&催迪克&
  CPU:集成工艺的胜利
  晶体管可以做得很小,那么可不可以将众多晶体管放在一起,配合其他元件,实现特定功能呢?在1958年,美国德州仪器的工程师JackKilby就发明了安装有三个元件的。不过那么低的集成度,对于计算机来说,实在没太大的意义。直到1964年,集成工艺的提升,让内已经可以安装更多的晶体管时,IBM360才成为首款使用的计算机。而这款计算机不仅永远改变了IBM,同样永远的改变了计算机行业,这款让IBM招募了6万名新员工,建立了5座新工厂,研发费用超过了50亿美元的大型机,虽然当时售价高达250万美元,但在短短四周内,就获得千台大订单。而当时美国的银行在线交易系统、登月计划等等,也都是在IBM360支持下完成的。
  IBM360成为首款使用集成电路的计算机
  而随着集成度的提高,一个改变了计算机发展步伐的产品,也正在孕育之中。那就是处理器。世界上第一款商用处理器,也就是Intel4004的诞生,那可是充满戏剧性。话说上世纪六十年代末,日本的一家计算器厂商Busicom要生产一种新的产品,并期望能用到商场的收款机里,当Busicom的工程师带着自己的要求找到Intel时,这家如今的巨无霸,当年还只是刚成立不久、单纯生产存储器的小公司,可Intel毅然承接了这一设计订单。但即便有摩尔这样的天才,初生的Inltel研发过程也十分吃力,直到1971年,4004才研发成功,这已经超过合同期。延迟交货让Busicom极为恼怒,并借此要求Intel降价。违约在先的Intel只能做出妥协但却附加了一个条件:允许Intel自由出售4004芯片。至此Intel公司完成了从单一的存储器制造商向微处理器制造商的转型,如今Busicom已不知在何处,Intel却成了科技业的巨无霸。假若当年intel不提出这一要求,或是及时交货的话,那么如今整个PC市场规则也许就会全部改写。但可以确定的是,PC时代依旧会如约而来。
  世界上第一款商用处理器:Intel4004
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  晶体管简介
  严格意义上讲,晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管有时多指晶体三极管。晶体管主要分为两大类:双极性晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)。晶体管有三个极;双极性晶体管的三个极,分别由N型跟P型组成发射极(Emitter)、基极(Base) 和集电极(Collector);场效应晶体管的三个极,分别是源极(Source)、栅极(Gate)和漏极(Drain)。
  晶体管是一种半导体器件,放大器或电控开关常用。晶体管是规范操作电脑,手机,和所有其他现代电子电路的基本构建块。由于其响应速度快,准确性高,晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能,包括放大,开关,稳压,信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域,可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。
  1947年12月,美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组,研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世,是20世纪的一项重大发明,是微电子革命的先声。晶体管出现后,人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件,来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的降生吹响了号角。20世纪最初的10年,通信系统已开始应用半导体材料。20世纪上半叶,在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音机,就采用矿石这种半导体材料进行检波。半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。
  那么本文就来详细的了解一下关于cpu里面到底有多少个晶体管,CPU几亿个晶体管是一个整体吗?一起跟随小编俩看看吧。
  历代CPU晶体管数量
  摩尔定律,即当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。当然这只是一个推测的理论,并非自然理论。但根据过去40年的CPU发展史来看,这个理论接近精准。 我们可以比较一下,图为过去40多年英特尔系列CPU的数据。
  (ps:图中最高点斜率上升,不是技术发展加快,而是那个系列安腾以及安腾2属于服务器CPU,不属于桌面级CPU,按桌面级CPU的总体水准曲线应当是斜率向更小发展) 而近几年,
  2000年奔腾4 Willamette,制作工艺180nm,CPU晶体管数量4200万。
  2010年酷睿i7-980X,制作工艺32nm,晶体管数量11.7亿。
  2013年酷睿i7 4960X,制作工艺22nm,晶体管数量18.6亿。
  关于近几年CPU的详细数据
  1999年2月:英特尔发布了奔腾III处理器。奔腾III是1x1正方形硅,含有950万个晶体管,采用英特尔0.25微米制程技术生产。
  2002年1月:英特尔奔腾4处理器推出,高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产,含有5500万个晶体管。
  日:针对笔记本的英特尔迅驰移动技术平台诞生,包括了英特尔最新的移动处理器&英特尔奔腾M处理器&。该处理器基于全新的移动优化微体系架构,采用英特尔0.13微米制程技术生产,包含7700万个晶体管。
  日:英特尔第一个主流双核处理器&英特尔奔腾D处理器&诞生,含有2.3亿个晶体管,采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。
  日:英特尔酷睿2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管,采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。
  日:为扩大四核PC向主流买家的销售,英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔&酷睿&2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。
  cpu为什么晶体管越多性能越强
  简单的说cpu就像是一个大的存放开关的工厂,每个晶体管就是一个开关,关的时候表示0,开的时候表示1,晶体管越多,开关也越多,在处理同一个问题的时候走的线路也就越多。这就像是你以前学初中物理时的并联电路,之路越多流通的线路也越多。
  同样,cpu的晶体管越多,单位时间内可以流过的电流的支路也就越多反映在宏观上就是你在一颗cpu上能同时处理的数据也就越多,机器也就越快。
  CPU几亿个晶体管是一个整体吗
  CPU主要包括逻辑运算单元、控制单元和存储单元。在逻辑运算和控制单元中包括一些寄存器,这些寄存器用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。
  在了解CPU工作原理之前,我们先简单谈谈CPU是如何生产出来的。CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上,用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。因此,从这个意义上说,CPU正是由晶体管组合而成的。简单而言,晶体管就是微型电子开关,它们是构建CPU的基石,你可以把一个晶体管当作一个电灯开关,它们有个操作位,分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开,而这两种状态正好与二进制中的基础状态&0&和&1&对应!这样,计算机就具备了处理信息的能力。
  cpu制作是一项非常高精度的工艺,必须借助机械来完成,从晶圆被切割出来的晶体管会被机械像印刷一样印在cpu基座上,每张印刷好的基座会通过检查排除不良品以及检验产品的最大效率值,然后加上外壳接口就成了我们常见的处理器产品。
非常好我支持^.^
不好我反对
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( 发表人:陈翠 )
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为什么石墨烯不能在常温下做晶体管?能隙和晶体管还有半导体之间有什么关系?
LZ是高中生,最近在准备化学先修课。
看到石墨烯这个方向的时候很多文献都说石墨烯没有能隙不可以做晶体管
能隙和晶体管的材料之间有什么关系吗?
石墨烯没有能隙是好还是不好呢
我有更好的答案
最简单地讲,能隙就好像开关,没能隙就好像它怎么都关不掉,能隙太大就好像开关要费很大劲才能扳动。半导体能隙正好,适合当开关。晶体管和场效应管这层可以去看模拟电路/数字电路的书,不过原理一般都说得特别模糊让人费解。原理上要看固体物理。不过固体物理能带理论又要看量子力学才能懂。至于好还是不好吃……我是说,好还是不好,看你怎么用。当成半导体直接当开关来用当然不好……不过总会找到其他用处的。求采纳
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大块的石墨烯没有能隙,在晶体管应用上无意是致命的缺陷。但是一系列理论和实验研究证实了:将石墨烯做成非常细(100nm)的结构(graphene nano ribbon,GNR),能隙是可以打开的。而且这种结构中的能隙与GNR的宽度成反比,越细越大。根据这些研究结果,石墨烯是可以做晶体管的。但是蛋疼的是在纳米级别的晶体管中,量子效果的影响越来越显著,导致石墨烯晶体管的on-off电流比还有开启电压都略于技术成型的硅制晶体管。这是人们质疑石墨烯在晶体管应用上的一大要点。另外再有一个,和其他材料不同,石墨烯晶体管中根据门电压区间的不同,载子可以是电子也可以是正空。这是很有趣的现象,但实际应用中会造成晶体管难以控制的问题。
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