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半导体

物质存在的形式多种多样,固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性差的材料,如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体(英语:Semiconductor)是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质。电导率容易受控制的半导体,可作为信息处理的元件材料。从科技或是经济发展的角度来看,半导体非常重要。很多电子产品,如计算机、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最具有影响力的一种。

材料的导电性是由导带中含有的电子数量决定。当电子从价带获得能量而跳跃至导电带时,电子就可以在带间任意移动而导电。一般常见的金属材料其导电带与价电带之间的能隙非常小,在室温下电子很容易获得能量而跳跃至导电带而导电,而绝缘材料则因为能隙很大(通常大于9电子伏特),电子很难跳跃至导电带,所以无法导电。

一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特,介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发,或是改变其能隙之间距,此材料就能导电。

半导体通过电子传导或空穴传导的方式传输电流。电子传导的方式与铜线中电流的流动类似,即在电场作用下高度电离的原子将多余的电子向着负离子化程度比较低的方向传递。空穴导电则是指在正离子化的材料中,原子核外由于电子缺失形成的“空穴”,在电场作用下,空穴被少数的电子补入而造成空穴移动所形成的电流(一般称为正电流)。

材料中载流子(carrier)的数量对半导体的导电特性极为重要。这可以通过在半导体中有选择的加入其他“杂质”(IIIA、VA族元素)来控制。如果我们在纯硅中掺杂(doping)少许的砷或磷(最外层有5个电子),就会多出1个自由电子,这样就形成N型半导体;如果我们在纯硅中掺入少许的硼(最外层有3个电子),就反而少了1个电子,而形成一个空穴(hole),这样就形成P型半导体(少了1个带负电荷的原子,可视为多了1个正电荷)。

芯片
芯片

半导体概述

半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽,意即绝缘体价带中的载流子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带,进入导带中。室温下的半导体导电性有如绝缘体,只有极少数的载流子具有足够的能量进入导带。因此,对于一个在相同电场下的本征半导体和绝缘体会有类似的电特性,不过半导体的能带宽度小于绝缘体也意味着半导体的导电性更容易受到控制而改变。

纯质半导体的电气特性可以借由植入杂质的过程而永久改变,这个过程通常称为掺杂。依照掺杂所使用的杂质不同,掺杂后的半导体原子周围可能会多出一个电子或一个空穴,而让半导体材料的导电特性变得与原本不同。如果掺杂进入半导体的杂质浓度够高,半导体也可能会表现出如同金属导体般(类金属)的电性。在掺杂了不同极性杂质的半导体界面处会有一个内建电场(built-in electric field),内建电场和许多半导体元件的操作原理息息相关(例如太阳能电池电子与空穴对的搜集就是靠内建电场来作用),而掺杂后的半导体有许多电性也会有相对应的变化。

除了借由掺杂的过程永久改变电性外,半导体亦可因为施加于其上的电场改变而动态地变化。半导体材料也因为这样的特性,很适合用来作为电路元件,例如晶体管。晶体管属于有源式的(有源)半导体元件(active semiconductor devices),当有源元件和被动式的(无源)半导体元件(passive semiconductor devices)如电阻器或是电容器组合起来时,可以用来设计各式各样的集成电路产品,例如微处理器。

芯片
芯片

当电子从导带掉回价带时,减少的能量可能会以光的形式释放出来。这种过程是制造发光二极管以及半导体激光的基础,在商业应用上都有举足轻重的地位。而相反地,半导体也可以吸收光子,透过光电效应而激发出在价带的电子,产生电信号。这即是光探测器的来源,在光纤通讯或是太阳能电池的领域是最重要的元件,也是相机中CMOS Image Sensor主要的运作原理。

半导体有可能是单一元素组成,例如硅。也可以是两种或是多种元素的化合物,常见的化合物半导体有砷化镓或是磷化铝铟镓(aluminium gallium indium phosphide, AlGaInP)等。合金也是半导体材料的来源之一,如硅锗或是砷化镓铝(aluminium gallium arsenide, AlGaAs)等。

半导体材料的制造

为了满足量产上的需求,半导体的电性必须是可预测并且稳定的,因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。常见的品质问题包括晶格的位错(dislocation)、孪晶面(twins)或是堆垛层错(stacking fault) 都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体器件而言,材料晶格的缺陷(晶体缺陷)通常是影响元件性能的主因。

目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为柴可拉斯基法(钢铁场常见工法)。这种工艺将一个单晶的晶种(seed)放入溶解的同材质液体中,再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时,溶质将会沿着固体和液体的接口固化,而旋转则可让溶质的温度均匀。

半导体发现历史

半导体的发现实际上可以追溯到很久以前。1833年,英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属的电阻随温度升高而增加,但法拉第发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。

不久,1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特性。
1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体的第三种特性。
在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第四种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。
半导体的这四个特性,虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。 [3]
2019年10月,一国际科研团队称与传统霍尔测量中仅获得3个参数相比,新技术在每个测试光强度下最多可获得7个参数:包括电子和空穴的迁移率;在光下的载荷子密度、重组寿命、电子、空穴和双极性类型的扩散长度。

半导体分类及性能

(1)元素半导体。元素半导体是指单一元素构成的半导体,其中对硅、硒的研究比较早。它是由相同元素组成的具有半导体特性的固体材料,容易受到微量杂质和外界条件的影响而发生变化。目前, 只有硅、锗性能好,运用的比较广,硒在电子照明和光电领域中应用。硅在半导体工业中运用的多,这主要受到二氧化硅的影响,能够在器件制作上形成掩膜,能够提高半导体器件的稳定性,利于自动化工业生产。
(2)无机合成物半导体。无机合成物主要是通过单一元素构成半导体材料,当然也有多种元素构成的半导体材料,主要的半导体性质有I族与V、VI、VII族;II族与IV、V、VI、VII族;III族与V、VI族;IV族与IV、VI族;V族与VI族;VI族与VI族的结合化合物,但受到元素的特性和制作方式的影响,不是所有的化合物都能够符合半导体材料的要求。这一半导体主要运用到高速器件中,InP制造的晶体管的速度比其他材料都高,主要运用到光电集成电路、抗核辐射器件中。 对于导电率高的材料,主要用于LED等方面。
(3)有机合成物半导体。有机化合物是指含分子中含有碳键的化合物,把有机化合物和碳键垂直,叠加的方式能够形成导带,通过化学的添加,能够让其进入到能带,这样可以发生电导率,从而形成有机化合物半导体。这一半导体和以往的半导体相比,具有成本低、溶解性好、材料轻加工容易的特点。可以通过控制分子的方式来控制导电性能,应用的范围比较广,主要用于有机薄膜、有机照明等方面。
(4)非晶态半导体。它又被叫做无定形半导体或玻璃半导体,属于半导电性的一类材料。非晶半导体和其他非晶材料一样,都是短程有序、长程无序结构。它主要是通过改变原子相对位置,改变原有的周期性排列,形成非晶硅。晶态和非晶态主要区别于原子排列是否具有长程序。非晶态半导体的性能控制难,随着技术的发明,非晶态半导体开始使用。这一制作工序简单,主要用于工程类,在光吸收方面有很好的效果,主要运用到太阳能电池和液晶显示屏中。
(5)本征半导体:不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下,半导体的价带是满带,受到热激发后,价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带,空带中存在电子后成为导带,价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位,称为空穴。空穴导电并不是实际运动,而是一种等效。电子导电时等电量的空穴会沿其反方向运动。 [5]  它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流,分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴,电子-空穴对消失,称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射(发光)或晶格的热振动能量(发热)。在一定温度下,电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡,此时半导体具有一定的载流子密度,从而具有一定的电阻率。温度升高时,将产生更多的电子-空穴对,载流子密度增加,电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大,实际应用不多。

术语知识:了解半导体

  • 中央处理器 (CPU):执行算术、逻辑、控制和输入/输出 (I/O) 运算的计算机主控制电路
  • 小芯片:完整系统级芯片 (SOC) 上通常包含的具有某种单一功能的集成电路 (IC)
  • 晶片:一小块半导体材料,可用来制造特定功能的集成电路
  • Fabless 业务模式:半导体行业的领先运作模式,公司可以将更多的利润用于研发和增长战略
  • 图形处理器 (GPU):可以同时执行大量数据运算以在显示器上创建图像或进行机器学习分析这类非图形计算的电路
  • 集成电路 (IC):在一小块半导体材料(例如硅)上设计的一系列电子电路
  • 纳米 (nm):度量单位(十亿分之一米);用于表示制程工艺的最小功能尺寸
  • (例如“7nm 制程工艺”)
  • 原始设备制造商 (OEM):组装或生产供销售的最终用户设备的公司
  • 封装:使用金属、塑料、玻璃或陶瓷来密封一个或多个独立集成电路
  • 制程工艺:半导体的特定设计规则和制造工艺
  • 系统级芯片 (SOC):在同一芯片上包含各种计算机或其他电子系统元件的集成电路
  • 晶体管调节电流流动的元件,是集成电路的基本组成部分
  • 晶圆:用于制造多个集成电路芯片的硅薄片

全球半导体制造企业

2012年度全球营收前25的半导体制造企业[3]
排序 公司 生产模式 国家 2012年营收(百万美金) 2011年营收(百万美金) 较2011年成长
1 英特尔 IDM 美国 49114 49697 -1%
2 三星半导体 IDM 韩国 32251 33483 -4%
3 台积电 晶圆代工 中华民国 17167 14600 18%
4 高通 IC设计 美国 13177 9828 34%
5 德州仪器 IDM 美国 12147 12182 -6%
6 东芝 IDM 日本 11217 12745 -12%
7 瑞萨电子 IDM 日本 9314 10653 -13%
8 海力士 IDM 韩国 9057 9403 -4%
9 意法半导体 IDM 法国法国
意大利意大利
8364 9631 -13%
10 美光 IDM 美国 8002 8571 -7%
11 博通 IC设计 美国 7793 7160 9%
12 索尼 IDM 日本 5709 6093 -6%
13 超微半导体 IC设计 美国 5422 6568 -17%
14 英飞凌 IDM 德国 4993 5599 -11%
15 格罗方德 晶圆代工 美国 4560 3480 31%
16 辉达 IC设计 美国 4229 3939 7%
17 富士通 IDM 日本 4162 4430 -6%
18 恩智浦半导体 IDM 荷兰荷兰 4157 4147 0%
19 飞思卡尔 IDM 美国 3735 3164 -15%
20 联华电子 晶圆代工 中华民国 3730 3760 -1%
21 联发科技 IC设计 中华民国 3366 2969 13%
22 夏普 IDM 日本 3304 2908 14%
23 美满电子 IDM 美国 3157 3445 -8%
24 尔必达* IDM 日本 3735 3164 -15%
25 罗姆电子 IDM 日本 3030 3303 -8%
  • 尔必达于2012年5月宣告破产,2013年7月由美光完成并购。

全球十大半导体企业[编辑]

 
公司 收入 净收入 市值 一年追踪回报率 交易所
美国英特尔公司(INTC) 757亿美元 227亿美元 2561亿美元 34.1% 纳斯达克
中华民国台积电(TSM) 379亿美元 131亿美元 2935亿美元 58.8% 纽约证券交易所
美国高通公司(QCOM) 247亿美元 40亿美元 1,012亿美元 34.2% 纳斯达克
美国Broadcom Inc.(AVGO) 229亿美元 25亿美元 1261亿美元 23.4% 纳斯达克
美国美光科技公司(MU) 196亿美元 23亿美元 567亿美元 57.1% 纳斯达克
美国德州仪器(TXN) 141亿美元 50亿美元 1158亿美元 21.8% 纳斯达克
中华民国ASE技术控股有限公司(ASX) 137亿美元 6亿美元 97亿美元 30.9% 纽约证券交易所
美国NVIDIA Corp.(NVDA) 118亿美元 33亿美元 2272亿美元 155.5% 纳斯达克
法国意大利意法半导体(STM) 97亿美元 9亿美元 239亿美元 74.5% 纽约证券交易所
荷兰恩智浦半导体NV(NXPI) 88亿美元 2亿美元 326亿美元 32.0% 纳斯达克

截止到2020年6月,根据TTM对全球半导体企业收入的追踪,整理出全球十大半导体企业(此列表仅限于直接或者通过美国或加拿大公开交易的公司,一般外国的公司会每半年提交报告一词,因此滞后时间会更长,所有数据截止2020年6月18日,所有数据由YCharts提供10 Biggest Semiconductor Companies(页面存档备份,存于互联网档案馆)

半导体未来发展

以GaN(氮化镓)为代表的第三代半导体材料及器件的开发是新兴半导体产业的核心和基础,其研究开发呈现出日新月异的发展势态。GaN基光电器件中,蓝色发光二极管LED率先实现商品化生产成功开发蓝光LED和LD之后,科研方向转移到GaN紫外光探测器上GaN材料在微波功率方面也有相当大的应用市场。氮化镓半导体开关被誉为半导体芯片设计上一个新的里程碑。美国佛罗里达大学的科学家已经开发出一种可用于制造新型电子开关的重要器件,这种电子开关可以提供平稳、无间断电源。 
新型半导体材料在工业方面的应用越来越多。新型半导体材料表现为其结构稳定,拥有卓越的电学特性,而且成本低廉,可被用于制造现代电子设备中广泛使用,我国与其他国家相比在这方面还有着很大一部分的差距,通常会表现在对一些基本仪器的制作和加工上,近几年来,国家很多的部门已经针对我国相对于其他国家存在的弱势,这一方面统一的组织了各个方面的群体,对其进行有效的领导,然后共同努力去研制更加高水平的半导体材料。
这样才能够在很大程度上适应我国工业化的进步和发展,为我国社会进步提供更强大的动力。首先需要进一步对超晶格量子阱材料进行研发,目前我国半导体材料在这方面的发展背景来看,应该在很大程度上去提高超高亮度,红绿蓝光材料以及光通信材料,在未来的发展的主要研究方向上,同时要根据市场上,更新一代的电子器件以及电路等要求进行强化,将这些光电子结构的材料,在未来生产过程中的需求进行仔细的分析和探讨,然后去满足未来世界半导体发展的方向,我们需要选择更加优化的布点,然后做好相关的开发和研究工作,这样将各种研发机构与企业之间建立更好的沟通机制就可以在很大程度上实现高温半导体材料,更深一步的开发和利用。

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