半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用,如二极管就是采用半导体制作的器件。常见的半导体材料有硅、锗、砷化家等。半导体还以多种形态存在,包括固体、液体、气体、等离子体等等。作为常温下的导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。半导体也被称为半导体或芯片,它可以在数千种产品中找到,例如计算机,智能手机,设备,游戏硬件和医疗设备。
半导体行业的成功取决于制造更小,更快和更便宜的产品。小巧的好处是可以在同一芯片上放置更多功率。芯片上的晶体管越多,其工作速度就越快。这在行业中引起了激烈的竞争,新技术降低了每个芯片的生产成本,因此在几个月内,新芯片的价格可能下降5%。
这引起了称为摩尔定律的观察,该定律指出,密集集成电路中的晶体管数量大约每两年翻一番。该观察结果以仙童半导体和英特尔共同创始人戈登·摩尔的名字命名,他在1965年撰写了一篇描述该现象的论文。如今,倍增期通常被引用为18个月,这一数字被英特尔高管戴维·豪斯(DavidHouse)引用。
结果,不断给芯片制造商施加压力,要求它们比几个月前定义的最新技术更好甚至更便宜。因此,半导体公司需要维持大量的研发预算。半导体市场研究协会ICInsights报告称,217年最大的1家半导体公司在研发方面的支出平均占销售额的13.%,单个公司的比例为5.2%至24.%。
传统上,半导体公司控制从设计到制造的整个生产过程。然而,许多芯片制造商现在将越来越多的生产委托给业内其他公司。专注于制造的铸造公司最近脱颖而出,提供有吸引力的外包选择。除了铸造厂,越来越专业的设计师和芯片测试人员的队伍也开始膨胀。芯片公司正在变得越来越精益,效率更高。薯条生产现在类似于美食餐厅的厨房,厨师们在这里排队,为调味料添加恰到好处的香料。
半导体材料是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围(上限按谢嘉奎《电子线路》取值,还有取其1/10或10倍的;因角标不可用,暂用当前描述)。在一般情况下,半导体电导率随温度的升高而升高,这与金属导体恰好相反。
凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象,这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体,正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构,所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿(ZnS)的结构。
由于地球的矿藏多半是化合物,所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波,氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器,闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料,碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体,曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗(Ge)放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页,从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%~99.9999999%) 的锗开始的。采用元素半导体硅(Si)以后,不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高,而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。
半导体材料可按化学组成来分,再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。
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