半导体概论

《半导体》讲义一、什么是半导体在我们生活的这个科技日新月异的时代，半导体已经成为了无处不在的关键元素。

但究竟什么是半导体呢？半导体，从本质上来说，是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。

它的导电性能既不像铜、铝等金属那样优秀，能够轻易地让电流通过，也不像橡胶、塑料等绝缘体那样几乎完全阻止电流的流动。

常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。

以硅为例，它在元素周期表中位于金属和非金属的交界位置，这使得它的原子结构具有独特的性质，从而表现出半导体的特性。

半导体的这种特殊导电性，使得我们能够通过对其进行巧妙的处理和控制，实现各种各样神奇的功能。

二、半导体的特性半导体具有一些非常重要的特性，正是这些特性使得它们在现代电子技术中发挥着无可替代的作用。

1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生显著改变。

温度升高时，其电阻会减小；温度降低时，电阻则会增大。

利用这一特性，我们制造出了热敏电阻，用于温度测量、温度控制等领域。

2、光敏特性半导体在受到光照时，其导电能力会大大增强。

基于这一特点，我们开发出了光电二极管、太阳能电池等器件。

3、掺杂特性通过向纯净的半导体中掺入微量的杂质元素，可以极大地改变其导电性能。

这种掺杂过程就像是给半导体“调味”，不同的“调料”（杂质）和不同的“用量”（掺杂浓度）会让半导体展现出不同的电学特性。

三、半导体的制造工艺了解了半导体的基本概念和特性后，我们来看看半导体是如何被制造出来的。

制造半导体的过程就像是在微观世界里进行一场精细的“雕刻”。

首先是原材料的准备，通常是高纯度的硅晶圆。

然后，通过一系列复杂的工艺步骤，在晶圆上构建出各种微小的结构和器件。

其中，光刻技术是关键的环节之一。

它就像是在晶圆上用“光”来绘制精细的电路图。

通过将特定的光刻胶涂覆在晶圆表面，然后用紫外线等光源透过掩膜版进行照射，使光刻胶发生化学反应，从而在晶圆上形成需要的图案。

接下来是掺杂，将杂质原子引入到特定的区域，以改变其电学性质。

第三节半导体
半导体是当今电子行业最基础的材料之一，其作用和意义不容小觑。

在此我们将深入探讨半导体的相关知识。

一、什么是半导体？
半导体是指在室温下，其导电性介于导体和绝缘体之间的材料。

有
时也被称为半导体晶体。

二、半导体的种类
从其晶体结构来看，半导体可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅等。

三、半导体的应用
1、集成电路 - 由于半导体表现出了半导体-绝缘体-金属场效应，能
够强制控制流经半导体器件的电流强度和方向，因此可用于制作各种
逻辑、振荡器等集成电路。

2、光电器件 - 利用半导体光电特性制作出的器件，如太阳能电池、发光二极管、激光器等。

3、功率器件 - 利用半导体导电性能和电特性，制作出高变换效率、低损耗、高可靠性的功率电子元器件，如IGBT器件等。

4、传感器 - 利用半导体的光电、温度、湿度、压力等特性制作出的传感器器件。

四、半导体技术的发展趋势
1、晶体管微型化和集成化 - 在实际应用中，需要更高的速度、更小的面积和功耗，因此晶体管制作微型化和集成化是半导体技术的重要趋势。

2、功率器件的高效率和大功率 - 随着人们生活水平的提高，需要更高效、更可靠、更节能的电子设备，因此功率器件的高效率和大功率是半导体技术的趋势。

3、新型材料的开发 - 蓝宝石、碳化硅等新型材料在一定应用领域已得到广泛的应用，半导体技术发展也将趋于多样化。

总而言之，半导体技术因其广泛的应用领域和重要的作用被越来越广泛地关注着，也将成为电子行业长期的研究方向之一。

半导体生产流程所谓的半导体，是指在某些情况下，能够导通电流，而在某些条件下，又具有绝缘体效用的物质；而至于所谓的IC，则是指在一半导体基板上，利用氧化、刻蚀、扩散等方法，将众多电子电路组成各式二极管、晶体管等电子组件，作在一微小面积上，以完成某一特定逻辑功能（例如：AND、OR、NAND等），进而达成预先设定好的电路功能。

自1947年12月23日第一个晶体管在美国的贝尔实验室(Bell Lab)被发明出来，结束了真空管的时代，到1958年TI开发出全球第一颗IC成功，又意谓宣告晶体管的时代结束，IC的时代正式开始。

从此开始各式IC不断被开发出来，集成度也不断提升。

从小型集成电路（SSI），每颗IC包含10颗晶体管的时代；一路发展MSI、LSI、VLSI、ULSI；MSI（Middle-scale integration）中等规模集成电路；LSI（Large-scale integration）大规模集成电路；VLSI（Very-Large-scale integration）甚大规模集成电路；ULSI（Ultra-Large-scale integration）超大规模集成电路再到今天，短短50年时间，包含千万个以上晶体管的集成电路已经被大量生产，并应用到我们的生活的各领域中来，为我们的生活带来飞速的发展。

不能想象离开半导体产业我们的生活将会怎样，半导体技术的发展状况已成为一个国家的技术状况的重要指针，电子技术也成为一个国家提高国防能力的重要途径。

半导产品类别目前的半导体产品可分为集成电路、分离式组件、光电半导体等三种。

A.集成电路(IC)，是将一电路设计，包括线路及电子组件，做在一片硅芯片上，使其具有处理信息的功能，有体积小、处理信息功能强的特性。

依功能可将IC分为四类产品：内存IC、微组件、逻辑IC、模拟IC。

B.分离式半导体组件，指一般电路设计中与半导体有关的组件。

常见的分离式半导体组件有晶体管、二极管、闸流体等。

《半导体》讲义一、什么是半导体在我们生活的这个科技时代，半导体可谓是无处不在。

从我们每天使用的手机、电脑，到家里的电视、空调，再到汽车里的各种控制系统，都离不开半导体的身影。

那到底什么是半导体呢？简单来说，半导体就是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。

常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。

半导体的导电性能不是一成不变的，它可以通过一些特殊的处理和控制来改变。

比如，在纯净的半导体中掺入少量的杂质，就能够显著改变其导电性能，这就是半导体的掺杂特性。

二、半导体的特性半导体具有一些独特的特性，这使得它在电子领域中具有极其重要的地位。

1、热敏特性半导体的电阻会随着温度的变化而发生明显的改变。

利用这一特性，我们可以制造出热敏电阻，用于温度测量和控制。

2、光敏特性当半导体受到光照时，其导电性能也会发生变化。

基于这一特性，我们有了光电二极管、太阳能电池等器件。

3、掺杂特性如前面提到的，通过向半导体中掺入不同类型和浓度的杂质，可以精确地控制其导电性能，从而制造出各种不同功能的半导体器件。

三、半导体的制造工艺要将半导体材料变成实用的电子器件，需要经过一系列复杂而精细的制造工艺。

1、晶圆制备首先，需要制备出高纯度的半导体晶圆。

通常使用的是硅晶圆，通过化学气相沉积等方法，在高温下生长出单晶硅棒，然后经过切割、研磨和抛光等工艺，得到平整光滑的晶圆。

2、光刻这是半导体制造中最为关键的工艺之一。

通过在晶圆表面涂上一层光刻胶，然后用紫外线透过具有特定图案的掩膜版进行照射，使光刻胶发生化学反应，从而在晶圆上形成所需的电路图案。

3、蚀刻利用化学或物理方法，将未被光刻胶保护的部分去除，从而在晶圆上刻蚀出电路线条。

4、掺杂通过离子注入或扩散等方法，向晶圆中掺入杂质，以改变其导电性能。

5、封装将制造好的芯片进行封装，以保护芯片免受外界环境的影响，并提供与外部电路的连接接口。

四、半导体的应用半导体的应用领域非常广泛，几乎涵盖了现代科技的方方面面。

半导体制造概论（完整流程详解）近几年來，随着电子科技、网路等相关技术的进步，以及全球电子市场消费水平的提升，个人计算机、多媒体、工作站、网路、通信相关设备等电子产品的需求激增，带动整个世界半导体产业的蓬勃发展，而在台湾，半导体业更俨然成为维系国家经济动脉的一个主力。

基本上半导体制造为一垂直分工细密且高附加价值的产业，其快速的成长也会带动其他外围产业的繁荣，下图所示为一典型的半导体产业体系架构。

在这个体系中，半导体制造，也就是一般所称的晶圆加工（Wafer fabrication），是资金与技术最为密集之处，伴随着晶圆加工的上游产业则包括产品设计（IC design）、晶圆制造（Wafer manufacture）、以及光罩（Photo mask）制造等，下游产业则更为庞大，其中包括一般所称半导体后段制程（Back-end processes）的IC 封装（Packaging）、测试（T esting）、包装（Assembly ），以及外围的导线架制造（Lead-frame manufacture ）、連接器制造（Connector manufacture）、电路板制造（Board manufacture）等，此一结合紧密的产业体系，形成了今日台湾经济命脉之所系。

一、IC 设计（IC design）二、晶圆制造（Wafer manufacture）（一）长晶（CRYSTAL GROWTH）长晶是从硅砂中（二氧化硅）提煉成单晶硅，其制造过程是将硅石（Silica）或硅酸盐（Silicate）如同冶金一样，放入爐中熔解提煉，形成冶金级硅。

由于冶金级硅中尚含有杂质，因此，必须再用分馏及还原的方法将其纯化，形成电子级硅。

虽然电子级硅所含的硅的纯度很高，可达99.9999 99999 %，但是结晶方式还是很杂亂，又称为多晶硅，必须重排成单晶结构才可，因此再将电子级硅置入坩埚内加温融化，其系先将温度降低至一设定点，再以一块单晶硅为『晶种』，置入坩埚内，让融化的硅沾附在晶种上，再将晶种以边拉边旋转方式抽離坩埚，而沾附在晶种上的硅亦随之冷凝，形成与晶种相同排列的结晶。

半导体概述本章通过历史简介，在世界经济中的重要性以及纵览重大技术的发展和其成为世界领导工业的发展趋势来介绍半导体工业。

并将按照产品类型介绍主要生产阶段和解释晶体管结构与集成度水平。

目的完成本章后您将能够：1. 描述分立器件和集成电路的区别。

2. 说明术语“固态，” “平面工艺”，““N””型和“P”型半导体材料。

3. 列举出四个主要半导体工艺步骤。

4. 解释集成度和不同集成水平电路的工艺的含义。

5. 列举出半导体制造的主要工艺和器件发展趋势。

一个工业的诞生电信号处理工业始于由Lee Deforest 在1906年发现的真空三极管。

1真空三极管使得收音机, 电视和其它消费电子产品成为可能。

它也是世界上第一台电子计算机的大脑，这台被称为电子数字集成器和计算器（ENIAC）的计算机于1947年在宾西法尼亚的摩尔工程学院进行首次演示。

这台电子计算机和现代的计算机大相径庭。

它占据约1500平方英尺，重30吨，工作时产生大量的热，并需要一个小型发电站来供电，花费了1940年时的400, 000美元。

ENIAC的制造用了19000个真空管和数千个电阻及电容器。

真空管有三个元件，由一个栅极和两个被其栅极分开的电极在玻璃密封的空间中构成(图 1.2)。

密封空间内部为真空，以防止元件烧毁并易于电子的自由移动。

真空管有两个重要的电子功能，开关和放大。

开关是指电子器件可接通和切断电流；放大则较为复杂，它是指电子器件可把接收到的信号放大，并保持信号原有特征的功能。

真空管有一系列的缺点。

体积大，连接处易于变松导致真空泄漏、易碎、要求相对较多的电能来运行，并且元件老化很快。

ENIAC 和其它基于真空管的计算机的主要缺点是由于真空管的烧毁而导致运行时间有限。

这些问题成为许多实验室寻找真空管替代品的动力，这个努力在1947年12月23日得以实现。

贝尔实验室的三位科学家演示了由半导体材料锗制成的电子放大器。

这种器件不但有真空管的功能，而且具有固态（无真空）、体积小、重量轻,、耗电低并且寿命长的优点，起初命名为“传输电阻器”而后很快更名为晶体管（transistor）。