如果用非常概括性的說法來描述 CPU 的組成，其實就是數以億計的電晶體組合而成的。那麼電晶體又是怎麼組成的呢？

一切來自於沙子

沙子的主要成分為二氧化矽，經由提煉之後可以生成粗矽，也就是半導體最主要的成分—矽（Silicon）。

接下來要透過蒸餾以及其他化學反應處理提高純度，純度如果不夠高容易產生缺陷。接下來是製造矽晶圓，也就是製作 IC 的基本元素，再透過各種處理將電路複製到晶圓後經由封裝測試，就變成我們所看到的各種 IC 了。整個過程聽起來很簡單，但要從沙子變成晶圓可不是在家搓搓揉揉燒一燒就能夠變出來的，所有的步驟都是需要公司傾盡全力的資源才能完成。

仔細想一想要將數以億計的電晶體塞到一顆小小的 CPU，還要能正確無誤地運作，簡直就是人類文明的奇蹟。

然而對我來說最神奇的是，大自然隨處可見的沙子，是構成人類現代科技的基礎，到頭來一切都源自元大自然。

矽有什麼神奇之處？

現在我們知道半導體的成分由沙子而來（經過各種加工之後），那麼矽到底有什麼特質，使得半導體產業如此依賴於矽？首先需要澄清的是，並不是只有矽才能拿來當作半導體，只是矽的原料比較容易入手，因此通常會使用矽來製作。

關鍵在於矽的原子結構，在矽的最外層有四個電子，這些電子受到能量後比較容易跳出原子的束縛變成可以自由移動的電子。一旦電子可以移動，就能夠形成電流。

原子的導電程度根據價電子變成自由電子的難易度決定，絕緣體因為不容易讓電子擺脫束縛，無法形成自由電子；導體則是不需要太多能量，甚至是在一般溫度下也能夠產生大量自由電子，因此可以導電。半導體最大特色就在於，雖然它平時無法導電，但只要施加電位差就能夠躍升成為自由電子，達成導電。

參雜（doping）

為了近一步提升半導體的導電性（本段落皆以矽為例），可以加入其他雜質元素，這個過程就做參雜。

如果參雜的元素為三價元素，則參雜後會變成 P 型半導體；如果參雜的元素為五價元素，則參雜後會變成 N 型半導體。參雜過後會讓內部結構的電子更加容易流動，提高了半導體的導電性。

如果將 P 型半導體與 N 型半導體結合就能夠組成二極體。二極體最大的特性在於施加順向電壓時能夠導通，但施加逆向電壓時則無法導通。

電晶體

透過調整參雜濃度的變化，並且將原本的二極體中間再加入一層半導體，就形成了電晶體。以 NPN 電晶體為例，這三層半導體分別稱為射極（emitter）、基極（base）與集極（collector）。

主要的特性在於當我們在基極與射極形成順向偏壓時，由於基極的參雜濃度不同，在電子移動時有一部分也會跑去集極（N型半導體）進一步造成射極與集極導通。

簡單來說，我們可以透過控制基極與射極的輸入電壓（高電位與低電位），來控制射極與集極的導通與否，也就達成了開關的效果。

除了開關的效果之外，電晶體還可以用來當作放大電路使用，不過因為篇幅關係這裡只針對開關作用做說明。

值得一提的是在理解電路時，我們時常說的電流方向，其實與真實的電子流動相反，在電路當中能夠移動的只有電子。至於為什麼要這樣表示，可是是因為大家已經習慣從正到負這種概念了。

邏輯閘

現在，有了開關結構，我們就可以實作邏輯閘了。舉例來說，如果我們要做一個 AND 的電路可以這樣做：

當 A 跟 B 都施予電壓時才能夠讓整個電路導通，達到 AND 的效果。

下圖是一顆電晶體與鍵盤的比例圖：

半導體產業

雖然說這種電晶體已經很小了，但很顯然對電晶體數量用億來算的現代 CPU 來說，這樣子還是太大。因此現代半導體產業最主要的挑戰就是如何在有限的面積內塞入更多電晶體，在 1970 年代時的製程為 10um，現在已經來到 5nm，面積比 1970 年代小 2000 倍。

一些想法

我自己很希望半導體的製程在未來可以普及到一般家庭當中，就像 3D 列印一樣。不需要奈米製程，只要微米製程甚至在更高也沒關係，讓一般人也能夠做出積體電路。

Upgraded Homemade Silicon Chips

目前看起來只要有設備，要做出來並非難如登天，只是影片中的設備看起來也是要價不菲，一般家庭可能也沒有那個空間放置。不知道未來會不會有革新技術出現，大幅改變人們製作積體電路的方式？