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！

1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。

不久， 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。

在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。 半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩——四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。

半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等和本征半导体。

1982年，江苏无锡的江南无线电器材厂（742厂）IC生产线建成验收投产，这是一条从日本东芝公司全面引进彩色和黑白电视机集成电路生产线，不仅拥有部封装，而且有3英寸全新工艺设备的芯片制造线，不但引进了设备和净化厂房及动力设备等“硬件”，而且还引进了制造工艺技术“软件”。这是中国第一次从国外引进集成电路技术。第一期742厂共投资2.7亿元（6600万美元），建设目标是月投10000片3英寸硅片的生产能力，年产2648万块IC成品，产品为双极型消费类线性电路，包括电视机电路和音响电路。到1984年达产，产量达到3000万块，成为中国技术先进、规模最大，具有工业化大生产的专业化工厂。 1982年10月，国务院为了加强全国计算机和大规模集成电路的领导，成立了以万里副总理为组长的“电子计算机和大规模集成电路领导小组”，制定了中国IC发展规划，提出“六五”期间要对半导体工业进行技术改造。 1983年，针对当时多头引进，重复布点的情况，国务院大规模集成电路领导小组提出“治散治乱”，集成电路要“建立南北两个基地和一个点”的发展战略，南方基地主要指上海、江苏和浙江，北方基地主要指北京、天津和沈阳，一个点指西安，主要为航天配套。

1986年，电子部厦门集成电路发展战略研讨会，提出“七五”期间我国集成电路技术“531”发展战略，即普及推广5微米技术，开发3微米技术，进行1微米技术科技攻关。 1988年，871厂绍兴分厂，改名为华越微电子有限公司。 1988年9月，上无十四厂在技术引进项目，建了新厂房的基础上，成立了中外合资公司――上海贝岭微电子制造有限公司。 1988年，在上海元件五厂、上无七厂和上无十九厂联合搞技术引进项目的基础上，组建成中外合资公司――上海飞利浦半导体公司（现在的上海先进）。 1989年2月，机电部在无锡召开“八五”集成电路发展战略研讨会，提出了“加快基地建设，形成规模生产，注重发展专用电路，加强科研和支持条件，振兴集成电路产业”的发展战略。 1989年8月8日，742厂和永川半导体研究所无锡分所合并成立了中国华晶电子集团公司。

1990年10月，国家计委和机电部在北京联合召开了有关领导和专家参加的座谈会，并向党中央进行了汇报，决定实施九O八工程。 1991年，首都钢铁公司和日本NEC公司成立中外合资公司――首钢NEC电子有限公司。 1995年，电子部提出“九五”集成电路发展战略：以市场为导向，以CAD为突破口，产学研用相结合，以我为主，开展国际合作，强化投资，加强重点工程和技术创新能力的建设，促进集成电路产业进入良性循环。 1995年10月，电子部和国家外专局在北京联合召开国内外专家座谈会，献计献策，加速我国集成电路产业发展。11月，电子部向国务院做了专题汇报，确定实施九0九工程。 1997年7月17日，由上海华虹集团与日本NEC公司合资组建的上海华虹NEC电子有限公司组建，总投资为12亿美元，注册资金7亿美元，华虹NEC主要承担“九0九”工程超大规模集成电路芯片生产线项目建设。 1998年1月，华晶与上华合作生产MOS圆片合约签定，有效期四年，华晶芯片生产线开始承接上华公司来料加工业务。 1998年1月18日，“九0八” 主体工程华晶项目通过对外合同验收，这条从朗讯科技公司引进的0.9微米的生产线已经具备了月投6000片6英寸圆片的生产能力。 1998年1月，中国华大集成电路设计中心向国内外用户推出了熊猫2000系统，这是我国自主开发的一套EDA系统，可以满足亚微米和深亚微米工艺需要，可处理规模达百万门级，支持高层次设计。 1998年2月，韶光与群立在长沙签订LSI合资项目，投资额达2.4亿元，合资建设大规模集成电路（LSI）微封装，将形成封装、测试集成电路5200万块的生产能力。 1998年2月28日，我国第一条8英寸硅单晶抛光片生产线建成投产，这个项目是在北京有色金属研究总院半导体材料国家工程研究中心进行的。 1998年3月16日，北京华虹集成电路设计有限责任公司与日本NEC株式会社在北京长城-饭店举行北京华虹NEC集成电路设计公司合资合同签字仪式，新成立的合资公司其设计能力为每年约200个集成电路品种，并为华虹NEC生产线每年提供8英寸硅片两万片的加工订单。 1998年4月，集成电路“九0八”工程九个产品设计开发中心项目验收授牌，这九个设计中心为信息产业部电子第十五研究所、信息产业部电子第五下四研究所、上海集成电路设计公司、深圳先科设计中心、杭州东方设计中心、广东专用电路设计中心、兵器第二一四研究所、北京机械工业自动化研究所和航天工业771研究所。这些设计中心是与华晶六英寸生产线项目配套建设的。 1998年6月，上海华虹NEC九0九二期工程启动。 1998年6月12日，深港超大规模集成电路项目一期工程――后工序生产线及设计中心在深圳赛意法微电子有限公司正式投产，其集成电路封装测试的年生产能力由原设计的3.18亿块提高到目前的7.3亿块，并将扩展的10亿块的水平。 1998年10月，华越集成电路引进的日本富士通设备和技术的生产线开始验收试制投 片，-该生产线以双极工艺为主、兼顾Bi-CMOS工艺、2微米技术水平、年投5英寸硅片15万片、年产各类集成电路芯片1亿只能力的前道工序生产线及动力配套系统。 1998年3月，由西安交通大学开元集团微电子科技有限公司自行设计开发的我国第一个-CMOS微型彩色摄像芯片开发成功，我国视觉芯片设计开发工作取得的一项可喜的成绩。 1999年2月23日，上海华虹NEC电子有限公司建成试投片，工艺技术档次从计划中的0.5微米提升到了0.35微米，主导产品64M同步动态存储器（S－DRAM）。这条生产线的建-成投产标志着我国从此有了自己的深亚微米超大规模集成电路芯片生产线。

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