半導體是這兩年國家重點發展的行業，到底什麼是半導體？

生活中所有的物體按照導電性大緻可分為三類：導體、半導體、絕緣體。

這個很好理解，物體要麼導電，要麼不導電，要麼有一點點導電，正是這種半推半就、不清不楚的物質給物理學家不同的發揮空間。

太絕對的導電和不導電的物質沒什麼意思，而在不同情況下導電性發生變化的東西才是有意思的。

來張圖直觀看看物體的導電性：

按照導電性便分為：

絕緣體: 電導率很低，約介于20－18S/cm～10－8S/cm,如熔融石英及玻璃；

導 體：電導率較高，介于104S/cm～106S/cm，如鋁、銀等金屬。

半導體：電導率則介于絕緣體及導體之間。

自然界中常見的元素半導體有矽、鍺，據說鍺基半導體比矽基半導體還要更早發現和應用，但是矽的天然優勢就是便宜！自然界中常見的沙石就含有大量的矽元素，你說有多多！

即使自然界中矽砂很多，但矽砂中包含的雜質太多，缺陷也太多，不能直接拿來用，需要對它進行提煉。

怎麼提煉？一個字——燒！

正如初中化學所學的，進行氧化還原反應。

①SiC SiO2 → Si(固體) SiO2(氣體) CO(氣體)

②Si(固體) 3HC → SiHCl3(氣體) H2(氣體)

③SiHCl3(氣體) H2(氣體)→ Si(固體) 3HCl(氣體)

經過三次高溫化學反應後，我們得到了固體矽，但這時候的矽是多晶矽。

啥是多晶矽？

如同我們剝橘子的時候，裡面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一樣（晶體方向），我們要選味道最好的一瓣橘子，選出來讓這瓣橘子單獨長大！

怎麼讓一個小的單晶單獨長大呢？

物理學家還是很聰明的，發明了一種長單晶的辦法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以這名科學家名字命名的。

行業也有一種直觀的稱呼，叫提拉法!

因為在長單晶時就是把小的晶體往上拔！拔的時候速度有點慢，來看看這個裝置：

圖中的這個藍色的圓棒就是單晶矽，在提拉的時候一邊旋轉一邊往上拔，提拉法長出來的晶錠就是圓柱體了。

再将長好的晶錠采用機械刀片進行切割，切成一片一片的圓盤狀，便成了晶圓。

有沒有很眼熟？

晶圓就是這樣被生産出來了。

雖然我們得到了晶圓，此時的單晶矽電化學性能還不行，不能直接用來做芯片，工程師們于是想辦法改造單晶矽的電化學性能。

如何改造單晶矽呢？

先深入了解一下矽元素，在元素周期表中，矽排列在第14位，矽原子最外層有4個電子，分别與周圍4個原子共用4對電子，這種共用電子對的結構稱為共價鍵(covalent bonding)。每個電子對組成一個共價鍵。

這部分知識初中化學學過，來張圖片直觀看看：

左邊這張圖是單晶矽的晶體結構，為金剛石晶體結構。右邊這張圖是矽原子共用電子的情況，中間一個矽原子和四個矽兄弟共用電子。

突然有一天，有個物理學家想到一個問題，要是矽家不是和矽兄弟共用電子，把其他兄弟拉進群會怎樣？

物理學家有一天把砷兄拉進了群，于是奇迹發生了：

砷兄弟最外層有5個電子，其中4個電子找到了矽家的對象，另外一個電子單着了，這個電子成了無業遊民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了矽家的導電性。

此時的砷原子多提供了一個電子給矽家，因此砷原子被稱為施主。

矽家的自由電子多了以後，帶負電的載流子增加，矽變成n型半導體。

為啥叫N型？在英文裡Negative代表負，取這個單詞的第一個字母，就是N。

同樣，物理學家想，既然可以拉電子多的砷元素進群，那麼是否也可以拉電子少的硼原子進群？于是物理學家把硼原子拉進來試試。

由于硼原子最外層隻有3個電子，比矽少一個，于是本來2對電子的共價鍵現在成了隻有一對電子，多了一個空位，成了帶正電的空穴(hole)。

此時的矽基半導體被稱為p型半導體，同樣P來自英文單詞Positive(正極)的首字母，而硼原子則被稱為受主。

正是在矽單晶中加入的原子不同，便形成了N型半導體和P型半導體。

當我們有了單晶矽，并且可以想辦法将單晶矽表面氧化成二氧化矽。二氧化矽可作為許多器件結構的絕緣體，或在器件制作過程中作為擴散或離子注入的阻擋層。

如在p‒n結的制造過程中，二氧化矽薄膜可用來定義結的區域。

來張示意圖看看，(a)顯示無覆蓋層的矽晶片，正準備進行氧化步驟，圖(b)隻顯示被氧化晶片的上表層。

有了P型和N型半導體的理論知識，還可以玩點複雜的，對二氧化矽表面進行改造，改造成我們想要的圖形，比如畫隻貓，畫朵花等…

對晶圓表面進行改造的辦法就是光刻！

光刻那不是要用到高端光刻機？聽說這種設備很牛逼….不如先看看光刻的原理：

利用高速旋塗設備(spinner)，在晶片表面旋塗一層對紫外(UV)光敏感的材料，稱為光刻膠(photoresist)。将晶片從旋塗機拿下之後在80ºC～100ºC之間烘烤，以驅除光刻膠中的溶劑并硬化光刻膠，加強光刻膠與晶片的附着力。接下來使用UV光源，通過一有圖案的掩模版對晶片進行曝光。然後，使用緩沖氫氟酸作酸刻蝕液來移除沒有被光刻膠保護的二氧化矽表面。最後，使用化學溶劑或等離子體氧化系統剝離(stripped)光刻膠。

看看示意圖：

文字說的有點複雜，直觀理解有點像刻印章，先在石頭上用顔料塗個模型，然後按照模型的尺寸進行雕刻，基本是這個道理。

印章有陽刻和陰刻的區别，晶圓也是這樣，根據光刻膠的選取不同，也能實現陽刻和陰刻，人們選用的光刻膠稱為正膠和負膠。

光刻後的矽表面暴露于外界中，此時物理學家在這個矽表面通過不同方法加入其它元素，稱為離子注入。

因為注入B或者As離子以後，這些離子加入到矽家以後改變了矽家的傳統，矽的電化學性能發生了改變，此時的半導體叫做非本征(extrinsic)半導體。

而由P型半導體和N型半導體接觸形成的結稱為p-n結！

我們在摻雜完成以後，需要想辦法将這個半導體的性能引出，于是将這個半導體表面金屬化，歐姆接觸(ohmic contact)和連線(interconnect)在接着的金屬化步驟完成，金屬薄膜可以用PVD或CVD來形成。

随着金屬化的完成，p‒n結就可以工作了！

簡單的半導體知識就介紹這麼多吧！

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