【什么是半導(dǎo)體】

半導(dǎo)體（ Semiconductor）,，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體（Conductor）與絕緣體（Insulator）之間的材料,。其導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料,，可作為信息處理的元件材料,。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅,、鍺、砷化鎵等,，而硅更是各種半導(dǎo)體材料中,，在商業(yè)應(yīng)用上最常見(jiàn)且最具有影響力的一種。從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看,，半導(dǎo)體非常重要,，很多電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī),、手機(jī),、智能終端，汽車(chē)等的核心控制單元都是利用半導(dǎo)體的電導(dǎo)率變化來(lái)處理信息。

絕緣體：電導(dǎo)率較低,，約介于20－18S/cm～10－8S/cm, 如熔融石英及玻璃,。

導(dǎo) 體： 電導(dǎo)率較高，介于104S/cm～106S/cm,，如鋁、銀等金屬,。

半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間,。

最常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料，就是地表含量最多的硅(Si),，硅原子本身具有四個(gè)價(jià)電子,，分別位在sp3的四個(gè)軌域中，由于每個(gè)軌域需擁有2個(gè)電子,，以形成八隅體的穩(wěn)定狀態(tài),，正好在純硅中，每個(gè)硅原子都與四個(gè)硅原子相鄰,，并且與這四個(gè)外圍硅原子共享軌域,，形成硅原子間的共價(jià)結(jié)構(gòu)，如圖所示,，此種共價(jià)結(jié)果相當(dāng)穩(wěn)定,，不存在自由電子，也因此純硅的導(dǎo)電性極差,。

絕緣體：電導(dǎo)率較低,，約介于20－18S/cm～10－8S/cm, 如熔融石英及玻璃。

導(dǎo) 體： 電導(dǎo)率較高,，介于104S/cm～106S/cm,，如鋁、銀等金屬,。

半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間,。

最常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料，就是地表含量最多的硅(Si),，硅原子本身具有四個(gè)價(jià)電子,，分別位在sp3的四個(gè)軌域中，由于每個(gè)軌域需擁有2個(gè)電子,，以形成八隅體的穩(wěn)定狀態(tài),，正好在純硅中，每個(gè)硅原子都與四個(gè)硅原子相鄰,，并且與這四個(gè)外圍硅原子共享軌域,，形成硅原子間的共價(jià)結(jié)構(gòu)，如圖所示，此種共價(jià)結(jié)果相當(dāng)穩(wěn)定,，不存在自由電子,，也因此純硅的導(dǎo)電性極差。

【硅原子結(jié)構(gòu)】

但是,，如果我們?cè)诩児柚袚饺肷僭S的砷(As)或磷(P),，每個(gè)砷或磷原子會(huì)取代某個(gè)硅原子，仍與四個(gè)硅原子相鄰,，需要四個(gè)電子以形成四個(gè)共價(jià)鍵,，由于砷或磷原子的最外層有五個(gè)電子，卻只與硅共享四個(gè)電子,，因而多出了一個(gè)可自由活動(dòng)的電子,，也就是自由電子，這種架構(gòu)就是所謂的n型半導(dǎo)體,，

 摻砷或磷,多出自由電子

如下圖所示,。如果我們?cè)诩児柚袚饺肷僭S的硼(B)，就反而少了一個(gè)電子,，而形成一個(gè)電洞,，這樣就形成p型半導(dǎo)體，此時(shí)若在硅晶兩端加電壓,，就能使電子產(chǎn)生自由移動(dòng)而顯著地增加其導(dǎo)電性,。

摻硼,形成電子空穴

【分類(lèi)】

半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類(lèi),。

鍺（Ge）和硅（Si）是最常用的元素半導(dǎo)體,；元素半導(dǎo)體材料是指由單體元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，包括鍺,、硅,、硒、硼,、碲,、銻等。上世紀(jì)50年代,，鍺占主導(dǎo)地位,，由于鍺的開(kāi)采成本高、儲(chǔ)量低和性能不如硅,，鍺半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差,，到60年代后期逐漸被硅材料取代，目前主要以硅基和化合物材料共生共存的半導(dǎo)體材料格局,。

化合物半導(dǎo)體材料主要是由兩種或兩種以上元素構(gòu)成的,，主要有砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等,。此類(lèi)化合物半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)有高電子遷移率,、高頻率、寬幅頻寬,、高線性度,、高功率、材料多元性以及抗輻射等,。

砷化鎵（GaAs）：主要運(yùn)用于通訊領(lǐng)域,，受益于通信射頻中的功率放大器（PA），GaAs微波射頻器件（射頻芯片,、基帶芯片）越來(lái)越廣泛應(yīng)用于移動(dòng)手機(jī)、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò),、光纖通訊,、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位,、GPS 汽車(chē)導(dǎo)航等領(lǐng)域,，市場(chǎng)占有率最高；

氮化鎵（GaN）：大功率,、高頻性能更加出色,，主要運(yùn)用于軍事、汽車(chē),、新能源等領(lǐng)域,；

碳化硅（SiC）：則主要運(yùn)用于汽車(chē)及工業(yè)電力電子領(lǐng)域，在大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯,。

隨著現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展,，硅材料在半導(dǎo)體制作上逐漸趨向物理極限，已經(jīng)無(wú)法滿足一些超高規(guī)格電子產(chǎn)品對(duì)高功率,，高頻率和高壓等苛刻條件,。因此，可以通過(guò)以硅材料為襯底,，化合物材料在硅材料外延生長(zhǎng)制成單晶片,，也能滿足射頻芯片、功率器件對(duì)高頻,、高壓,、高功率的需求，在一定程度上緩解了硅材料性質(zhì)的劣勢(shì),。

但是要滿足90%以上基礎(chǔ)需求,，硅基半導(dǎo)體有著更大的應(yīng)用領(lǐng)域。硅基半導(dǎo)體主要運(yùn)用于邏輯器件、存儲(chǔ)器,、分立器件（功率二極管,、三極管、晶閘管）等,。主要用于AI,、手機(jī)、IOT,、5G通信領(lǐng)域,。

一、半導(dǎo)體產(chǎn)品的類(lèi)別應(yīng)該怎么去區(qū)分呢,？
按照國(guó)際通行的半導(dǎo)體產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行分類(lèi),，半導(dǎo)體可以分為四類(lèi)：集成電路，分立器件,，傳感器和光電子器件,，這四類(lèi)可以統(tǒng)稱(chēng)為半導(dǎo)體元件

半導(dǎo)體的分類(lèi)，按照其制造技術(shù)可以分為：集成電路器件,，分立器件,、光電半導(dǎo)體、邏輯IC,、模擬IC,、儲(chǔ)存器等大類(lèi)，一般來(lái)說(shuō)這些還會(huì)被分成小類(lèi),。

以應(yīng)用領(lǐng)域,、設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行分類(lèi)，雖然不常用,，但還是按照IC,、LSI、VLSI（超大LSI）及其規(guī)模進(jìn)行分類(lèi)的方法,。

按照其所處理的信號(hào),，可以分成模擬、數(shù)字,、模擬數(shù)字混成及功能進(jìn)行分類(lèi)的方法,。

二、為什么硅材料會(huì)被用在芯片材料呢,？

理論上來(lái)說(shuō),，所有半導(dǎo)體都可以作為芯片材料，但是硅材料為什么最適合做芯片,，主要原因有下：

（1）按地球元素含量排行,，依次為：氧＞硅＞鋁＞鐵＞鈣＞鈉＞鉀……可以看到硅排在了第二位,，含量巨大，硅元素（石英砂）在地殼中占到27.7%,，降低半導(dǎo)體的材料成本,，這也讓芯片有了幾乎取之不盡用之不竭的原材料；

（2）硅元素化學(xué)性質(zhì)和物質(zhì)性質(zhì)都十分穩(wěn)定,，最早的晶體管其實(shí)是使用半導(dǎo)體材料鍺來(lái)制作的,，但是因?yàn)闇囟瘸^(guò)75℃時(shí)，導(dǎo)電率會(huì)出現(xiàn)較大變化,，做成PN結(jié)后鍺的反向漏電流比硅大,，因此選取硅元素作為芯片材料更加合適；

（3）硅材料本身無(wú)毒無(wú)害,，對(duì)環(huán)境無(wú)害,，算是清潔能源。其實(shí)提純對(duì)環(huán)境污染也挺嚴(yán)重的,，這也是其被選于用作芯片的制造材料的重要原因之一,。

（4）天然絕緣體，可通過(guò)加熱形成二氧化硅絕緣層,，防止半導(dǎo)體漏電現(xiàn)象，因此在晶圓制造時(shí)減去表面沉積多層絕緣體步驟,，降低晶圓制造生產(chǎn)成本,。

（5）制作工藝成熟，以硅材料制作的半導(dǎo)體硅片技術(shù)發(fā)展,，從1970年的2英寸硅片進(jìn)步至2020年的18英寸硅片,。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，與其他半導(dǎo)體材料相比較,，硅材料的應(yīng)用技術(shù)更加成熟且更具有規(guī)模效益,，在這樣的條件下，硅材料顯得“物美價(jià)廉”,，這樣的特質(zhì)給予了硅材料不可替代的行業(yè)地位,。

【晶圓制造原理】（參考書(shū)籍：《半導(dǎo)體故事》[英] 約翰·奧頓 著，姬揚(yáng) 譯）

第一步：粗煉Si,，用焦炭和石英砂在高溫電弧爐中反應(yīng),，得到純度不高的Si。

方程式：SiO2+C→Si+CO2

第二步：用HCl精煉Si,，利用CuCl作為催化劑,，把Si轉(zhuǎn)化為SiHCl3（純度7個(gè)9），再通入H2通過(guò)化學(xué)氣相沉積法把SiHCl3轉(zhuǎn)化回Si（純度9個(gè)9）,。

方程式：Si+HCl→SiHCl3+H2,；SiHCl3+H2→Si+HCl                       

這里的Si是多晶硅,，多晶硅存在晶格失配和位錯(cuò)，會(huì)導(dǎo)致原子未排列在正確的位置上,，在晶界存在電荷,，這就會(huì)產(chǎn)生能帶彎曲。那么,，自由電子和空穴在傳輸過(guò)程中就會(huì)被散射,，大大降低了自由載流子的遷移率。這也是這一步中得到的Si不能投入使用的原因之一,。

第三步：Si提純是提拉法（如圖）,，把熔化Si的放在石墨坩堝里面，使用感應(yīng)法加熱（熱電偶）,，之后又放在石英容器里,，通過(guò)純氫氣體作為清潔氛圍。再把作為種子的籽晶放在垂直棒的前端,，再放入熔化的Si里面,。因?yàn)樽丫П砻鏁?huì)吸附熔化物，在垂直棒不斷緩慢旋轉(zhuǎn)和提拉的過(guò)程中（大約是每個(gè)小時(shí)提拉10cm）,，可以長(zhǎng)出直徑比籽晶大得多的體材料晶體,。這就是俗稱(chēng)的提拉法。提拉法的巧妙之處之一是,，通過(guò)軸的旋轉(zhuǎn)控制了溫度和幾何構(gòu)性的不均勻性帶來(lái)的影響,，使得Si不僅有極高的純度，還有良好的單晶性,。

提拉法示意圖

第四步：切割單晶硅圓柱能得到片狀單晶硅晶圓,。像集成電路需要的高純Si就是Si晶圓，從而構(gòu)成了制造芯片的地基,。