半导体基本概念

半导体是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质，其电导率容易受控制，可作为信息处理的元件材料。从科技或是经济发展的角度来看，半导体非常重要。很多电子产品，如计算机、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

基本简介

半导体

顾名思义：常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）。

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，单还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

基本定义

电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。

半导体室温时电阻率约在10E-5～10E7欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。

锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物(硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

半导体（东北方言）：意指半导体收音机，因收音机中的晶体管由半导体材料制成而得名。

本征半导体

不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子 - 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。

分立功率器件按照功率的大小划分为大功率半导体器件和中小功率半导体器件。具体来说，大功率晶闸管专指承受电流值在200A 以上的晶闸管产品；大功率模块则指承受电流25A 以上的模块产品；大功率IGBT、MOSFET 指电流超过50A 以上的IGBT、MOSFET 产品。

1956 年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管，国际上，70 年代各种类型的晶闸管有了很大发展，80 年代开始加快发展大功率模块，同时各种大功率半导体器件在欧美日有很大的发展，90 年代IGBT 等全控型器件研制成功并开始得到应用。

在国内，60 年代晶闸管研究开始起步，70 年代研制出大功率的晶闸管，80年代以来，大功率晶闸管在中国得到很大发展，同时开始研制模块；本世纪以来，开始少量引进超大功率晶闸管（含光控晶闸管）技术；近年来国家正在逐步引进IGBT、MOSFET 技术。中国宏观经济的不断成长，带动了大功率半导体器件技术的发展和应用的不断深入。

晶闸管、模块、IGBT 的发明和发展顺应了电力电子技术发展的不同需要，是功率半导体发展历程中不同时段的重要标志产品，他们的应用领域、应用场合大部分不相同，小部分有交叉。在技术不断发展和工艺逐步改善的双重推动下，[1]大功率半导体器件将向着高电压、大电流、高频化、模块化、智能化的方向发展。在10Khz 以下、大功率、高电压的场合，大功率晶闸管和模块具有很强的抗冲击能力及高可靠性而占据优势，同时又因成本较低、应用简单而易于普及。在10Khz 以上、中低功率场合，IGBT、MOSFET 以其全控性、适用频率高而占据优势。

半导体中钴元素对非金属的影响深远，以半导体为根基的第三次产业革命浪潮在人工智能和大数据的助力下不断引爆，但眼见摩尔定律濒临极限，新材料的革新势必再上一个阶梯。从 1997 年 IBM 以“铜”取代“铝”后，二十年后的今天，属于“钴”的时代在半导体产业正式登场，将挑起产业转折点的跨时代任务！

半导体产业在这几年有不少关键转折点出现，但多半是在晶体管架构、设备技术上，如 3D 立体式鳍式晶体管 FinFET 接棒 2D 平面晶体管架构、 3D NAND 架构取代传统的 2D NAND 技术，这种立体式架构的革新让半导体制程顺利走入 14/16 纳米等高端技术。

另外，荷兰企业 ASML 的 EUV 光刻机即将在 7 纳米工艺技术上实现量产，这些都在半导体行业中都具有跨越时代的意义，值得历史留名，也因为有这些转折点的产生，摩尔定律的生命因此延续。

短短数年，我们经历了 FinFET 、 EUV 光刻机的成功，而半导体产业的下一个转折点其实就在不远处，会是由新材料的革新接棒，“钴”时代即将登场，逐渐终结“钨”和“铜”的时代。

10 纳米和 7 纳米节点进入钴导线时代，设备龙头应材推动产业革命的到来

随着半导体制程朝 10 纳米以下发展，原本以“铜”作为导线材料开始暴露导电速率不足等缺点，让制程工艺技术在 10 纳米、 7 纳米节点上遇到瓶颈，因此半导体大厂和设备大厂纷纷投入新材料研发，突破半导体制程技术的限制。

美国公司应用材料（Applied Materials, Inc）是全球半导体设备龙头，每年投入的研发经费十分可观，也是最早投入以“钴”作为导线材料取代传统“铜”、“钨”的半导体技术大厂之一，现在，这样的产业革命已经即将要落实在商用化芯片，具有划时代的意义！

在 10 纳米、 7 纳米等先进工艺下以“钴”作为导线材料，可以达到导电性能更强、功耗更低，芯片达到体积更小的目标，应材解释，这就是推动“PPAC”（效能 performace、功耗 power、面积 area、成本 cost）不断往前，未来甚至往下做到 5 纳米、 3 纳米工艺节点。

应用材料解释，不像是晶体管的体积越小，效能会越高，在金属镀层的接点和导线上，反而是体积越小，效能越差，如果把导线比喻成吸管，吸管越小是越容易阻塞，因此，导线材料的选择上有三个关键参考点，分别是填满能力、抗阻力、可靠度。

在 30 纳米以上的工艺技术，“铝”在填满、可靠度两方面表现不佳，但“铜”则是十分称职，因此仍扮演很重要的材料。

然进入 20 纳米以下高端工艺后，无论是钨、铝、铜的表现其实都不理想，相较之下，“钴”在填满能力、抗阻力、可靠度三方面是异军突起，尤其在半导体 10 /7 纳米以下的高端技术，“钴”是新一代导线材料之王。

图丨钨铝铜钴的比较

应材分析，晶体管的关键临界尺寸（Critical Dimension）是在 15 纳米左右，意思是到了该尺寸时，钴与铜的性能参数比达到交叉点，而所谓晶体管的关键临界尺寸，与制程技术工艺节点之间的比例约是 2 比 1，意思是，当 15 纳米是使用铜材料的关键临界尺寸极限，放大到制程工艺节点上，瓶颈就是 7 纳米左右。

关于“钨”时代的登场，应材进一步表示，在芯片关键临界尺寸的微缩上，“钨”与“铜”两个金属材料在 10 纳米以下已经无法完成微缩任务，因为其电性在晶体管接点与局部中段金属导线制程上已逼近物理极限，“钨”与“铜”再也无法导入成为接口，这就成为 FinFET 无法发挥完全效能的一大瓶颈。

而“钴”这个金属刚好能消除这个瓶颈，但也需要在制程系统策略上进行变革，随着产业将结构微缩到极端尺寸，这些材料的表现会有所不同，而且必须在原子级上，有系统地进行工程，通常是在真空的条件下进行。

应该明确一点说，碘不是半导体

所谓半导体是指晶体满带和导带有能级差，但能量相差不到3eV的

而碘晶体能级差已大于5eV，属于绝缘体

至于用元素周期表推论，是不太准确的

实际还是要以实验为依据

以上数据是有表可查的

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