什麼是半導體

半導體（ Semiconductor），指常溫下導電性能介于導體（Conductor）與絕緣體（Insulator）之間的材料。其導電性可受控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料，可作為信息處理的元件材料。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化镓等，而矽更是各種半導體材料中，在商業應用上最常見且最具有影響力的一種。從科技或是經濟發展的角度來看，半導體非常重要，很多電子産品，如計算機、手機、智能終端，汽車等的核心控制單元都是利用半導體的電導率變化來處理信息。

絕緣體：電導率較低，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。

最常見的半導體材料，就是地表含量最多的矽(Si)，矽原子本身具有四個價電子，分别位在sp3的四個軌域中，由于每個軌域需擁有2個電子，以形成八隅體的穩定狀态，正好在純矽中，每個矽原子都與四個矽原子相鄰，并且與這四個外圍矽原子共享軌域，形成矽原子間的共價結構，如圖所示，此種共價結果相當穩定，不存在自由電子，也因此純矽的導電性極差。

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矽原子結構

但是，如果我們在純矽中摻入少許的砷(As)或磷(P)，每個砷或磷原子會取代某個矽原子，仍與四個矽原子相鄰，需要四個電子以形成四個共價鍵，由于砷或磷原子的最外層有五個電子，卻隻與矽共享四個電子，因而多出了一個可自由活動的電子，也就是自由電子，這種架構就是所謂的n型半導體，

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摻砷或磷,多出自由電子

如下圖所示。如果我們在純矽中摻入少許的硼(B)，就反而少了一個電子，而形成一個電洞，這樣就形成p型半導體，此時若在矽晶兩端加電壓，就能使電子産生自由移動而顯著地增加其導電性。

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摻硼,形成電子空穴

分類：

半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。

鍺（Ge）和矽（Si）是最常用的元素半導體；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，由于鍺的開采成本高、儲量低和性能不如矽，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，目前主要以矽基和化合物材料共生共存的半導體材料格局。

化合物半導體材料主要是由兩種或兩種以上元素構成的，主要有砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化矽（SIC）等。此類化合物半導體材料的優點有高電子遷移率、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。

砷化镓（GaAs）：主要運用于通訊領域，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）越來越廣泛應用于移動手機、無線局域網絡、光纖通訊、衛星通訊、衛星定位、GPS 汽車導航等領域，市場占有率最高；

氮化镓（GaN）：大功率、高頻性能更加出色，主要運用于軍事、汽車、新能源等領域；

碳化矽（SiC）：則主要運用于汽車及工業電力電子領域，在大功率轉換應用中優勢明顯。

随着現代科學與技術的發展，矽材料在半導體制作上逐漸趨向物理極限，已經無法滿足一些超高規格電子産品對高功率，高頻率和高壓等苛刻條件。因此，可以通過以矽材料為襯底，化合物材料在矽材料外延生長制成單晶片，也能滿足射頻芯片、功率器件對高頻、高壓、高功率的需求，在一定程度上緩解了矽材料性質的劣勢。

但是要滿足90%以上基礎需求，矽基半導體有着更大的應用領域。矽基半導體主要運用于邏輯器件、存儲器、分立器件（功率二極管、三極管、晶閘管）等。主要用于AI、手機、IOT、5G通信領域。

半導體産品的類别應該怎麼去區分呢？

按照國際通行的半導體産品标準方式進行分類，半導體可以分為四類：集成電路，分立器件，傳感器和光電子器件，這四類可以統稱為半導體元件

半導體的分類，按照其制造技術可以分為：集成電路器件，分立器件、光電半導體、邏輯IC、模拟IC、儲存器等大類，一般來說這些還會被分成小類。

以應用領域、設計方法等進行分類，雖然不常用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規模進行分類的方法。

按照其所處理的信号，可以分成模拟、數字、模拟數字混成及功能進行分類的方法。

二、為什麼矽材料會被用在芯片材料呢？

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，矽元素（石英砂）在地殼中占到27.7%，降低半導體的材料成本，這也讓芯片有了幾乎取之不盡用之不竭的原材料；

（2）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，對環境無害，算是清潔能源。其實提純對環境污染也挺嚴重的，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，可通過加熱形成二氧化矽絕緣層，防止半導體漏電現象，因此在晶圓制造時減去表面沉積多層絕緣體步驟，降低晶圓制造生産成本。

（5）制作工藝成熟，以矽材料制作的半導體矽片技術發展，從1970年的2英寸矽片進步至2020年的18英寸矽片。經過長時間的發展，與其他半導體材料相比較，矽材料的應用技術更加成熟且更具有規模效益，在這樣的條件下，矽材料顯得“物美價廉”，這樣的特質給予了矽材料不可替代的行業地位。

二、晶圓制造原理：（參考書籍：《半導體故事》[英] 約翰·奧頓 著，姬揚 譯）

第一步：粗煉Si，用焦炭和石英砂在高溫電弧爐中反應，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轉化為SiHCl3（純度7個9），再通入H2通過化學氣相沉積法把SiHCl3轉化回Si（純度9個9）。

方程式：Si HCl→SiHCl3 H2；SiHCl3 H2→Si HCl

這裡的Si是多晶矽，多晶矽存在晶格失配和位錯，會導緻原子未排列在正确的位置上，在晶界存在電荷，這就會産生能帶彎曲。那麼，自由電子和空穴在傳輸過程中就會被散射，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的放在石墨坩埚裡面，使用感應法加熱（熱電偶），之後又放在石英容器裡，通過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裡面。因為籽晶表面會吸附熔化物，在垂直棒不斷緩慢旋轉和提拉的過程中（大約是每個小時提拉10cm），可以長出直徑比籽晶大得多的體材料晶體。這就是俗稱的提拉法。提拉法的巧妙之處之一是，通過軸的旋轉控制了溫度和幾何構性的不均勻性帶來的影響，使得Si不僅有極高的純度，還有良好的單晶性。

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提拉法示意圖

第四步：切割單晶矽圓柱能得到片狀單晶矽晶圓。像集成電路需要的高純Si就是Si晶圓，從而構成了制造芯片的地基。

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