什么是半导体？

半导体是这两年国家重点发展的行业，到底什么是半导体？

生活中所有的物体按照导电性大致可分为三类：导体、半导体、绝缘体。

这个很好理解，物体要么导电，要么不导电，要么有一点点导电，正是这种半推半就、不清不楚的物质给物理学家不同的发挥空间。

太绝对的导电和不导电的物质没什么意思，而在不同情况下导电性发生变化的东西才是有意思的。

来张图直观看看物体的导电性：

按照导电性便分为：

绝缘体: 电导率很低，约介于20－18S/cm 10－8S/cm,如熔融石英及玻璃；

导 体 ：电导率较高，介于104S/cm 106S/cm，如铝、银等金属。

半导体： 电导率则介于绝缘体及导体之间。

自然界中常见的元素半导体有硅、锗，据说锗基半导体比硅基半导体还要更早发现和应用，但是硅的天然优势就是便宜！自然界中常见的沙石就含有大量的硅元素，你说有多多！

即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的杂质太多，缺陷也太多，不能直接拿来用，需要对它进行提炼。

怎么提炼？一个字——烧！

正如初中化学所学的，进行氧化还原反应。

①SiC + SiO2 Si(固体)+ SiO2(气体)+ CO(气体)

②Si(固体)+ 3HC SiHCl3(气体)+ H2(气体)

③SiHCl3(气体)+ H2(气体) Si(固体)+ 3HCl(气体)

经过三次高温化学反应后，我们得到了固体硅，但这时候的硅是多晶硅。

啥是多晶硅？

如同我们剥橘子的时候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一样（晶体方向），我们要选味道最好的一瓣橘子，选出来让这瓣橘子单独长大！

怎么让一个小的单晶单独长大呢？

物理学家还是很聪明的，发明了一种长单晶的办法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以这名科学家名字命名的。

行业也有一种直观的称呼，叫提拉法!

因为在长单晶时就是把小的晶体往上拔！拔的时候速度有点慢，来看看这个装置：

图中的这个蓝色的圆棒就是单晶硅，在提拉的时候一边旋转一边往上拔，提拉法长出来的晶锭就是圆柱体了。

再将长好的晶锭采用机械刀片进行切割，切成一片一片的圆盘状，便成了晶圆。

有没有很眼熟？

晶圆就是这样被生产出来了。

虽然我们得到了晶圆，此时的单晶硅电化学性能还不行，不能直接用来做芯片，工程师们于是想办法改造单晶硅的电化学性能。

如何改造单晶硅呢？

先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外层有4个电子，分别与周围4个原子共用4对电子，这种共用电子对的结构称为 共价键 (covalent bonding)。每个电子对组成一个共价键。

这部分知识初中化学学过，来张图片直观看看：

左边这张图是单晶硅的晶体结构，为金刚石晶体结构。右边这张图是硅原子共用电子的情况，中间一个硅原子和四个硅兄弟共用电子。

突然有一天，有个物理学家想到一个问题，要是硅家不是和硅兄弟共用电子，把其他兄弟拉进群会怎样？

物理学家有一天把砷兄拉进了群，于是奇迹发生了：

砷兄弟最外层有5个电子，其中4个电子找到了硅家的对象，另外一个电子单着了，这个电子成了无业游民，到处流窜，由于电子带有电荷，于是改变了硅家的导电性。

此时的砷原子多提供了一个电子给硅家，因此砷原子被称为施主。

硅家的自由电子多了以后，带负电的载流子增加，硅变成n型半导体。

为啥叫N型？在英文里Negative代表负，取这个单词的第一个字母，就是N。

同样，物理学家想，既然可以拉电子多的砷元素进群，那么是否也可以拉电子少的硼原子进群？于是物理学家把硼原子拉进来试试。

由于硼原子最外层只有3个电子，比硅少一个，于是本来2对电子的共价键现在成了只有一对电子，多了一个空位，成了带正电的空穴(hole)。

此时的硅基半导体被称为p型半导体，同样P来自英文单词Positive(正极)的首字母，而硼原子则被称为受主。

正是在硅单晶中加入的原子不同，便形成了N型半导体和P型半导体。

当我们有了单晶硅，并且可以想办法将单晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作为许多器件结构的绝缘体，或在器件制作过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。

如在 p‒n 结的制造过程中，二氧化硅薄膜可用来定义结的区域。

来张示意图看看，(a)显示无覆盖层的硅晶片，正准备进行氧化步骤，图(b)只显示被氧化晶片的上表层。

有了P型和N型半导体的理论知识，还可以玩点复杂的，对二氧化硅表面进行改造，改造成我们想要的图形，比如画只猫，画朵花等…

对晶圆表面进行改造的办法就是光刻！

光刻那不是要用到高端光刻机？听说这种设备很牛逼….不如先看看光刻的原理：

利用高速旋涂设备(spinner)，在晶片表面旋涂一层对紫外(UV)光敏感的材料，称为光刻胶(photoresist)。将晶片从旋涂机拿下之后在80ºC 100ºC之间烘烤，以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶，加强光刻胶与晶片的附着力。接下来使用UV光源，通过一有图案的掩模版对晶片进行曝光。然后，使用缓冲氢氟酸作酸刻蚀液来移除没有被光刻胶保护的二氧化硅表面。最后，使用化学溶剂或等离子体氧化系统剥离(stripped)光刻胶。

看看示意图：

文字说的有点复杂，直观理解有点像刻印章，先在石头上用颜料涂个模型，然后按照模型的尺寸进行雕刻，基本是这个道理。

印章有阳刻和阴刻的区别，晶圆也是这样，根据光刻胶的选取不同，也能实现阳刻和阴刻，人们选用的光刻胶称为正胶和负胶。

光刻后的硅表面暴露于外界中，此时物理学家在这个硅表面通过不同方法加入其它元素，称为离子注入。

因为注入B或者As离子以后，这些离子加入到硅家以后改变了硅家的传统，硅的电化学性能发生了改变，此时的半导体叫做非本征(extrinsic)半导体。

而由P型半导体和N型半导体接触形成的结称为p-n结！

我们在掺杂完成以后，需要想办法将这个半导体的性能引出，于是将这个半导体表面金属化，欧姆接触(ohmic contact)和连线(interconnect)在接着的金属化步骤完成，金属薄膜可以用PVD或CVD来形成。

随着金属化的完成， p‒n 结就可以工作了！

简单的半导体知识就介绍这么多吧！

1、

1美元逼出来的华人“半导体教父”

1953年，一位麻省理工的年轻硕士同时拿到了福特 汽车 和希尼凡亚公司的offer，当时的福特 汽车 ，是全球 汽车 行业的霸主，不论是实力还是前景都不是后者能够比拟的，后者希尼凡亚公司，从事的是半导体产业，当时全球的半导体发展也不过几年，属于一个新兴行业，前途未知。

本来这个选择题很容易做，换做是谁都会选择去福特工作， 但是因为在谈薪资的时候，福特公司的薪资比希凡尼亚少了1美元，使得这位年轻硕士改变了注意，选择了薪资多1美元的希凡尼亚，进入到了半导体行业。

人生的际遇有时就是这样，因为年轻时的“短视”和“意气用事”，却造就了一代风云人物的崛起。 这位年轻硕士，便是后来的华人“半导体”教父，一手创建了全球最大的半导体制造商台积电的张忠谋。

这位1美元逼出来的“半导体教父”，或许在中国大陆地区，并不是那么知名，除了半导体相关行业的人士，知道并了解他的并不多。但是，在中国的香港、台湾地区，在美国，他就是“华人之光”，最成功的“华人企业家”的代名词。

他所创建的台积电有多厉害呢？业内流传着这么一句话足以说明：“全球高 科技 ，没有他就做不出来”。

我们都知道半导体、芯片这些高 科技 的产品，是许多顶尖产品的“心脏”和基础，经过了这两年的一些事件，我想中国人也对芯片这种东西的重要性有着切身体会了。

这里简单说一下全球芯片行业的模式，能够很好的说明台积电的厉害。

目前全球国际芯片厂商分为两大模式：

一种是IBM、英特尔这样的，通过自主研发出专利技术，然后授权给厂商们进行生产，拥有专利技术的赚大头，组装生产的赚小头。

还有一种是台积电模式，不管是专利技术还是组装生产，全部都自己来，而且全部都能做到世界顶尖水平，尤其是在代工市场份额上， 尽管一大堆代工企业崛起，依然无法撼动他的地位，至今仍然占有全球55%左右的份额，可谓“独孤求败”。

而这一切，都是张忠谋凭借着一己之力打下的江山，看到这里，你是不是对他开始有了敬佩之情呢？

2、

经过了“乱时代”，

我们要引领“大时代”

1931年，张忠谋出生在浙江宁波。父亲是县里的财政处长，家境颇为殷实，也为他创造了良好的教育环境。

可在那个战乱四起的年代，张忠谋还是免不了随着家国命运一起颠沛流离。 1932年张家迁居南京，1937年抗日战争爆发，一家人又匆匆南下广州，而不久后广州又遭到日军轰炸，辗转到了香港，可到了香港没几年，香港沦陷，一家人还是在q林d雨中日夜担忧，苟且偷生。

张忠谋至今还记得日军攻打香港时一个星期戒严，全城断水断粮的场景： “旅馆里的食物渐渐吃尽，后来吃的都是罐头，到最后罐头也吃尽了，幸而那时戒严已经结束了，等父母回到家中，财物已被歹徒抢劫……”

此后，一家人又南上重庆，一路要穿越战区，也是提心吊胆，九死一生。1945年日军投降，经历了短暂的狂喜之后，内战开打，国民党强制推出“货币改革”，其实就是用一文不值的“金圆券”换老百姓手里的黄金、美金，洗劫人民的财产供他们逃跑之用。

张忠谋在上海亲眼见到，由于对金圆券没有信心，民众把所有的钱都争抢着去买不动产保值，导致上海房价一天上涨数倍。 这就是一个政权末日时的疯狂。

江山鼎革之际，张家人再度搬到了香港，张忠谋也在当地的培英中学读书，毕业后留学美国，入读哈佛大学。

从乘飞机前往美国的那一刻起，张忠谋知道，自己经历了十几年的“乱时代”算是过去了。多年之后，当张忠谋深入了解到半导体行业的前景之后，他做出了一个判断： “这个世界由野心家引领的乱时代过去了，未来是和平的时代、拼经济的年代，而企业家就是引领这个大时代的人物”。

正是因为有着类似中国古代知识分子“登车揽辔，澄清天下”的情怀，1987年，56岁的张忠谋接受了“台湾工业技术研究院”的邀请担任院长，但他并不满足于在实验室里的工作，他想要创办一家中国人自己的芯片公司，于是开始了人生第一次创业。

在那个个人电脑鲜有人接触，智能手机更是没有出现的年代，从事半导体芯片行业想要做大市场，谈何容易？

在张忠谋的前面，还有IBM、英特尔这样的行业航母霸占了巨大的市场份额，他一个技术出身的人，不懂得资本运作，想要迎头赶上更是难上加难。 正是这样的现实，让许多人嘲笑这位56岁还要出来“折腾”的半导体老兵，有人劝他，在大企业里再干几年就退休了，领着高额的退休金，当个“院长”名利双收那日子不香吗？

要做事的人，总是会经历这些嘲笑和不解，如果他们也和普通人一样，安于现状，混吃等死，只想着把自己的小日子过好，那么奇迹要谁来创造呢？

3、

“老兵不死，只是凋零”

面对着重重困难，张忠谋秉承着一颗要引领大时代的心，一个一个的迎头解决。

首先，做芯片需要庞大的资金，张忠某没有，但是他想到了办法，台积电先提供芯片代工，让小规模的制造商专注于开发与半导体相关的知识产权，而无需先付出巨大的固定成本，大幅降低了半导体公司进入的门槛。

在台积电创办的第二年，迎来了第一位大客户——英特尔。 英特尔的创始人之一Andrew Grove亲自来到台湾参观，在看过张忠谋的产品之后，竟然给出了266个缺陷的意见。 台积电的工程师们夜以继日的优化工艺，最终通过了英特尔的认证，赢得了第一张大合同。

这次订单非常关键，不仅给台积电带来了利润，还因为有了英特尔的背书，台积电在业内的名气开始慢慢打响。

接下来的30多年，张忠谋带领着台积电一步一个脚印，不断攀上了新的高峰。

1997年，台积电在美国纽约证券交易所上市。

2002年，台积电成为第一家进入半导体产业前十名的晶圆代工公司。

2010年，台积电为全球四百多个客户提供服务，生产超过七千多种的芯片。同年全年营收为新台币4,195.4亿元，不断刷新纪录。

2017年3月20日， 台积电的市值首富超越了英特尔，成为全球市值最高的芯片公司。同年台积电净利润达到800亿元，是同年华为公司的两倍。

2019年，台积电在美国《财富》杂志评选为 "全球最大500家公司" 排行榜中，营收规模名列全球第363名，获利规模名列全球第39名。同年，2019年8月，在"全球顶尖100家公司" 排行榜中，公司市场价值名列第37名。

今年已经89岁的张忠谋，在2018年的时候宣告了从台积电退休，将公司业务全部交予后辈打理。但是，他的另一份事业又重新开始了，那就是写作。用张忠谋自己的话来形容退休状态，就是“老兵不死，只是凋零”。

少年时的张忠谋，曾经也是一位文学爱好者，有着一个作家梦。 但是父亲在看了他写的文章后，说了一句：“如果你选择当作家，恐怕要饿肚子了”。这句话点醒了张忠谋，他很认真的读了自己的文章后，也意识到和专业的作家水准还有很大的差距。于是放弃报考文科，选择了攻读商科。

“世事洞明皆学问，人情练达即文章”，年少不经事的张忠谋，写的都是“为赋新词强说愁”的东西， 如今经历了80余年的沧桑，不仅读了万卷书，行了万里路，还引领了一个时代的崛起，再加上退休后有着大把闲暇，他终于又拿起了笔，准备为自己写一部传记。

我相信，这一定是一部非常精彩的传记，有让我们更深入的了解张忠谋和他所经历的“乱时代”和“大时代”。

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