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半導(dǎo)體
來自站長百科
半導(dǎo)體（semiconductor），指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。半導(dǎo)體在收音機、電視機以及測溫上有著廣泛的應(yīng)用。
半導(dǎo)體的簡介[ ]
半導(dǎo)體：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體：室溫時電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm之間（上限按謝嘉奎《電子線路》取值，還有取其1/10或10倍的；因上角標暫不可用，暫用當前方法描述），溫度升高時電阻率則減小。半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體等。
特點[ ]
- 半導(dǎo)體五大特性∶摻雜性，熱敏性，光敏性，負電阻率溫度特性，整流特性。
- 在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地摻入特定的雜質(zhì)元素，導(dǎo)電性能具有可控性。
- 在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性有明顯的變化。
- 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，稱為晶格。
- 共價鍵結(jié)構(gòu)：相鄰的兩個原子的一對最外層電子（即價電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運動，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構(gòu)成共價鍵。
- 自由電子的形成：在常溫下，少數(shù)的價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。
- 空穴：價電子掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個空位置稱空穴。
- 電子電流：在外加電場的作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電子電流。
- 空穴電流：價電子按一定的方向依次填補空穴（即空穴也產(chǎn)生定向移動），形成空穴電流。
- 本征半導(dǎo)體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同，它們運動方向相反。
- 載流子：運載電荷的粒子稱為載流子。
- 導(dǎo)體電的特點：導(dǎo)體導(dǎo)電只有一種載流子，即自由電子導(dǎo)電。
- 本征半導(dǎo)體電的特點：本征半導(dǎo)體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。
- 本征激發(fā)：半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。
- 復(fù)合：自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。
- 動態(tài)平衡：在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復(fù)合的自由電子與空穴對數(shù)目相等，達到動態(tài)平衡。
- 載流子的濃度與溫度的關(guān)系：溫度一定，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導(dǎo)電性能增強；當溫度降低，則載流子的濃度降低，導(dǎo)電性能變差。
- 結(jié)論：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)。半導(dǎo)體材料性能對溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導(dǎo)體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。
- 雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過擴散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。
- P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體。
- 多數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。
- 少數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中，自由電子為少數(shù)載流子，簡稱少子。
- 受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。
- P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：它是靠空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強。
- N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，形成N型半導(dǎo)體。
- 多子：N型半導(dǎo)體中，多子為自由電子。
- 少子：N型半導(dǎo)體中，少子為空穴。
- 施子原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。
- N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強。
- 結(jié)論：多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。少子的濃度決定于溫度。
半導(dǎo)體材料的制造[ ]
- 為了滿足量產(chǎn)上的需求，半導(dǎo)體的電性必須是可預(yù)測并且穩(wěn)定的，因此包括摻雜物的純度以及半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的品質(zhì)都必須嚴格要求。常見的品質(zhì)問題包括晶格的錯位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯誤（stacking fault）都會影響半導(dǎo)體材料的特性。對于一個半導(dǎo)體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。
- 目前用來成長高純度單晶半導(dǎo)體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基制程（Czochralski process）。這種制程將一個單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質(zhì)液體中，再以旋轉(zhuǎn)的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質(zhì)將會沿著固體和液體的接口固化，而旋轉(zhuǎn)則可讓溶質(zhì)的溫度均勻。
歷史[ ]
- 半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實際上可以追溯到很久以前，1833年，英國巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。不久， 1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個特征。1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個效應(yīng)，(jianxia霍爾效應(yīng)的余績──四個伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。
應(yīng)用[ ]
最早的實用“半導(dǎo)體”是「電晶體（Transistor）/ 二極體（Diode）」。
- 一、在無線電收音機（Radio）及電視機（Television）中，作為“訊號放大器/整流器”用。
- 二、近來發(fā)展「太陽能（Solar Power）」，也用在「光電池（Solar Cell）」中。
- 三、半導(dǎo)體可以用來測量溫度，測溫范圍可以達到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學(xué)等應(yīng)用的70%的領(lǐng)域，有較高的準確度和穩(wěn)定性，分辨率可達0.1℃，甚至達到0.01℃也不是不可能，線性度0.2%，測溫范圍-100~+300℃，是性價比極高的一種測溫元件。
影響半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的有利和不利因素分析[ ]
- 1、有利因素
- （1）產(chǎn)業(yè)政策 2011 年3 月，國家發(fā)展和改革委員會頒布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（201年本）》明確了我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向和重點，其中將“半導(dǎo)體、光電子器件、新型電子元器件等電子產(chǎn)品用材料”列入鼓勵類投資項目。 2011 年12 月，國家發(fā)展改革委和商務(wù)部公布的《外商投資企業(yè)產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄》（2011 年修訂）將“電子專用材料開發(fā)與制造（光纖預(yù)制棒開發(fā)與制造除外）”列入鼓勵外商投資產(chǎn)業(yè)目錄。 2012 年2 月，國家工業(yè)和信息化部頒布的《電子信息制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中提出，在關(guān)鍵電子元器件和材料方面，積極發(fā)展用于支撐、裝聯(lián)和封裝等使用的金屬材料、非金屬材料和高分子材料；在放光二極管（LED）方面，加大對封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、新封裝材料、新工藝、熒光粉性能、散熱機理的研究與開發(fā)。 2012 年2 月，國家工業(yè)和信息化部頒布的《集成電路產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中提出，要加強12 英寸硅片、SOI、引線框架、光刻膠等關(guān)鍵材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，支持國產(chǎn)集成電路關(guān)鍵設(shè)備和儀器、原材料在生產(chǎn)線上規(guī)模應(yīng)用。
- （2）我國電子消費產(chǎn)品的市場巨大 半導(dǎo)體產(chǎn)品主要應(yīng)用領(lǐng)域包括計算機、消費電子、通信等。2008 年金融危機后，國家頒布了一系列措施促進國內(nèi)需求增長，尤其是《電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》的頒布以及家電下鄉(xiāng)、第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)、下一代互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字廣播電視網(wǎng)絡(luò)、寬帶光纖接入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化影院建設(shè)等一系列擴大內(nèi)需措施的實施，電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間進一步拓展，直接拉動國內(nèi)半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
- （3）產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移 經(jīng)濟全球化導(dǎo)致資本、技術(shù)、人員等生產(chǎn)要素在世界范圍內(nèi)大規(guī)模調(diào)整和重組，近年來中國高速發(fā)展的經(jīng)濟，龐大的需求市場，日益完善的基礎(chǔ)設(shè)施和較低的制造成本，以及先期進入的企業(yè)取得的良好發(fā)展業(yè)績，進一步推動了全球IT產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移的步伐。在可預(yù)見的未來一段時間，全球經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移趨勢仍將繼續(xù)進行，對我國的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移還有很大的空間，為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供了良好的發(fā)展機遇。國際半導(dǎo)體公司及半導(dǎo)體封裝材料制造廠家向我國的轉(zhuǎn)移，不僅擴大了我國半導(dǎo)體封裝材料的市場規(guī)模，更將先進的技術(shù)帶入我國，迅速提高我國半導(dǎo)體封裝材料及半導(dǎo)體封裝業(yè)的整體水平，必將帶動行業(yè)的快速增長。
- 2、不利因素
- （1）國內(nèi)技術(shù)水平與國際技術(shù)水平存在差距 目前，國際集成電路封裝技術(shù)以BGA、CSP 為主流技術(shù)，而國內(nèi)廠商則仍然以DIP、SOP、QFP 為主，產(chǎn)品以中、低端為主，發(fā)達國家在技術(shù)水平上占有優(yōu)勢。我國下游封裝測試企業(yè)的技術(shù)水平?jīng)Q定了我國封裝材料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。目前我國引線框架產(chǎn)品主要以TO、DIP 等低腳數(shù)產(chǎn)品為主，高端引線框架產(chǎn)品無法自主生產(chǎn)或者無法進入高端封裝測試企業(yè)的供應(yīng)商行列。我國半導(dǎo)體行業(yè)的壁壘主要是技術(shù)壁壘，要在高端封裝如BGA、CSP、SIP 等框架設(shè)計與制造上趕超國際先進水平，在技術(shù)、人才上有一定的困難。
- （2）原材料供應(yīng) 目前我國引線框架用銅合金帶產(chǎn)品，在分立器件用引線框架銅帶方面的生產(chǎn)和國外差距并不太大，但在集成電路用高端引線框架銅材的研究和生產(chǎn)方面還存在著較大的差距。主要表現(xiàn)為：一是合金材料的種類少、產(chǎn)品的規(guī)格少，不能和為數(shù)眾多的電子封裝材料相匹配；二是產(chǎn)品性能的均勻一致性及穩(wěn)定性稍差，影響集成電路的性能可靠性和加工的高效化；三是對高精度帶材產(chǎn)品的應(yīng)用性能缺乏系統(tǒng)的研究，目前缺乏系統(tǒng)的評價體系及簡單易行的現(xiàn)場評價方法，影響其后續(xù)沖裁、電鍍或蝕刻的使用。目前國內(nèi)銅板帶材高端產(chǎn)品尚需進口。
- （3）原材料價格波動劇烈 銅帶成本約占引線框架成本的70%，銅帶的價格與金屬銅的價格直接相關(guān)。近幾年金屬銅的價格波動幅度較大，對本行業(yè)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營產(chǎn)生一定負面影響。引線框架生產(chǎn)企業(yè)必須控制采購成本的同時，盡可能的研發(fā)、生產(chǎn)具有高附加值的產(chǎn)品，以降低原材料價格波動所帶來的影響。