半導體産業是國家重點支持發展的行業，也是最關鍵的“卡脖子”行業之一，那到底什麼是半導體呢？

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。

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。

半導體是通常由矽組成的材料産品，其導電性比玻璃之類的絕緣體高，但比銅或鋁之類的純導體導電性低。可以通過引入雜質（稱為摻雜）來改變其導電性和其他性能，以滿足其所駐留的電子組件的特定需求。半導體也被稱為半導體或芯片，它可以在數千種産品中找到，例如計算機，智能手機，設備，遊戲硬件和醫療設備。

如果從材料的角度來講，半導體顧名思義，就是指材料在常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。通過對半導體材料進行加工可以形成集成電路，将集成電路進行封裝測試形成芯片。

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通常大家所說的半導體産業是指将半導體材料加工成芯片的這條産業鍊，而非僅僅指半導體這種材料。

一、半導體材料

半導體材料是半導體産業的基礎，按化學成分劃分，半導體可以分為元素半導體和化合物半導體。

元素半導體材料是指由單體元素構成的半導體材料，包括鍺、矽、硒、硼、碲、銻等。上世紀50年代，鍺占主導地位，但鍺半導體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代後期逐漸被矽材料取代。

化合物半導體多指晶态無機化合物半導體，即是指由兩種或兩種以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁帶寬度和能帶結構等半導體性質，包括砷化镓、氮化镓、碳化矽等。

圖1：物體的導電性

圖片來源：Encyclopedia Britannica, inc.

二、用在芯片的矽是哪種呢？

理論上來說，所有半導體都可以作為芯片材料，但是矽材料為什麼最适合做芯片，主要原因有下：

（1）按地球元素含量排行，依次為：氧＞矽＞鋁＞鐵＞鈣＞鈉＞鉀……可以看到矽排在了第二位，含量巨大，這也讓芯片有了幾乎取之不盡用之不竭的原材料；

（2）矽元素化學性質和物質性質都十分穩定，最早的晶體管其實是使用半導體材料鍺來制作的，但是因為溫度超過75℃時，導電率會出現較大變化，做成PN結後鍺的反向漏電流比矽大，因此選取矽元素作為芯片材料更加合适；

（3）矽材料本身無毒無害，這也是其被選于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

圖2：多晶矽

圖片來源：中經縱橫

圖3：單晶矽

圖片來源：全球半導體觀察

按晶體類型來劃分，矽具有晶态矽和無定形矽兩種同素異形體。晶态矽又分為單晶矽和多晶矽，單晶矽和多晶矽的區别是，當熔融的單質矽凝固時，矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶矽，如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶矽。多晶矽是生産單晶矽的直接原料，而單晶矽是生産芯片的主要原材料。

三、單晶矽的主要生産流程

根據生産方式不同，可分為區熔單晶矽和直拉單晶矽。區熔單晶矽是利用懸浮區域熔煉的方法來制備單晶矽。直拉單晶矽是利用切氏法制備單晶矽。

兩種單晶矽具有不同的特性和應用領域：區熔單晶矽主要應用于大功率器件方面，隻占單晶矽市場很小一部分；直拉單晶矽主要應用于微電子集成電路等芯片領域。我們接下來主要介紹的也是直拉單晶矽的主要制造流程：

圖4：矽石

圖片來源：百度百科

圖5：直拉單晶矽制作流程

圖片來源：John Wiley & Sons, Inc

通過鎂還原二氧化矽或炭燒灼還原二氧化矽，得到多晶矽。将多晶矽熔化，按特定方法旋轉提拉，就可以得到原子排列整齊的單晶矽。圖5中的藍色的圓棒就是單晶矽，在提拉的過程中一邊旋轉一邊向上拔，提拉法長出來的晶錠就是大家常見的單晶矽圓柱體。

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