半导体
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半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)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。
半导体的简介[ ]
半导体：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称为半导体：室温时电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm之间（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因上角标暂不可用，暂用当前方法描述），温度升高时电阻率则减小。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；化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第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。
特点[ ]
- 半导体五大特性∶掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。
- 在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
- 在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。
- 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。
- 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
- 自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。
- 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
- 电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。
- 空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
- 本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
- 载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
- 导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
- 本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
- 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。
- 复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
- 动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。
- 载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。
- 结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。
- 杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。
- P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。
- 多数载流子：P型半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度，称为多数载流子，简称多子。
- 少数载流子：P型半导体中，自由电子为少数载流子，简称少子。
- 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
- P型半导体的导电特性：它是靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。
- N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，形成N型半导体。
- 多子：N型半导体中，多子为自由电子。
- 少子：N型半导体中，少子为空穴。
- 施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
- N型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。
- 结论：多子的浓度决定于杂质浓度。少子的浓度决定于温度。
半导体材料的制造[ ]
- 为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。常见的品质问题包括晶格的错位（dislocation）、双晶面（twins），或是堆栈错误（stacking fault）都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的缺陷通常是影响元件性能的主因。
- 目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为裘可拉斯基制程（Czochralski process）。这种制程将一个单晶的晶种（seed）放入溶解的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。
历史[ ]
- 半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，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。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。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。
应用[ ]
最早的实用“半导体”是「电晶体（Transistor）/ 二极体（Diode）」。
- 一、在无线电收音机（Radio）及电视机（Television）中，作为“讯号放大器/整流器”用。
- 二、近来发展「太阳能（Solar Power）」，也用在「光电池（Solar Cell）」中。
- 三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1℃，甚至达到0.01℃也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100~+300℃，是性价比极高的一种测温元件。
影响半导体行业发展的有利和不利因素分析[ ]
- 1、有利因素
- （1）产业政策 2011 年3 月，国家发展和改革委员会颁布的《产业结构调整指导目录（201年本）》明确了我国产业结构调整的方向和重点，其中将“半导体、光电子器件、新型电子元器件等电子产品用材料”列入鼓励类投资项目。 2011 年12 月，国家发展改革委和商务部公布的《外商投资企业产业指导目录》（2011 年修订）将“电子专用材料开发与制造（光纤预制棒开发与制造除外）”列入鼓励外商投资产业目录。 2012 年2 月，国家工业和信息化部颁布的《电子信息制造业“十二五”发展规划》中提出，在关键电子元器件和材料方面，积极发展用于支撑、装联和封装等使用的金属材料、非金属材料和高分子材料；在放光二极管（LED）方面，加大对封装结构设计、新封装材料、新工艺、荧光粉性能、散热机理的研究与开发。 2012 年2 月，国家工业和信息化部颁布的《集成电路产业“十二五”发展规划》中提出，要加强12 英寸硅片、SOI、引线框架、光刻胶等关键材料的研发与产业化，支持国产集成电路关键设备和仪器、原材料在生产线上规模应用。
- （2）我国电子消费产品的市场巨大 半导体产品主要应用领域包括计算机、消费电子、通信等。2008 年金融危机后，国家颁布了一系列措施促进国内需求增长，尤其是《电子信息产业调整和振兴规划》的颁布以及家电下乡、第三代移动通信网络、下一代互联网、数字广播电视网络、宽带光纤接入网络和数字化影院建设等一系列扩大内需措施的实施，电子信息产业的发展空间进一步拓展，直接拉动国内半导体相关产业发展。
- （3）产业转移 经济全球化导致资本、技术、人员等生产要素在世界范围内大规模调整和重组，近年来中国高速发展的经济，庞大的需求市场，日益完善的基础设施和较低的制造成本，以及先期进入的企业取得的良好发展业绩，进一步推动了全球IT产业向中国转移的步伐。在可预见的未来一段时间，全球经济结构调整与产业转移趋势仍将继续进行，对我国的产业转移还有很大的空间，为我国半导体产业提供了良好的发展机遇。国际半导体公司及半导体封装材料制造厂家向我国的转移，不仅扩大了我国半导体封装材料的市场规模，更将先进的技术带入我国，迅速提高我国半导体封装材料及半导体封装业的整体水平，必将带动行业的快速增长。
- 2、不利因素
- （1）国内技术水平与国际技术水平存在差距 目前，国际集成电路封装技术以BGA、CSP 为主流技术，而国内厂商则仍然以DIP、SOP、QFP 为主，产品以中、低端为主，发达国家在技术水平上占有优势。我国下游封装测试企业的技术水平决定了我国封装材料产品结构。目前我国引线框架产品主要以TO、DIP 等低脚数产品为主，高端引线框架产品无法自主生产或者无法进入高端封装测试企业的供应商行列。我国半导体行业的壁垒主要是技术壁垒，要在高端封装如BGA、CSP、SIP 等框架设计与制造上赶超国际先进水平，在技术、人才上有一定的困难。
- （2）原材料供应 目前我国引线框架用铜合金带产品，在分立器件用引线框架铜带方面的生产和国外差距并不太大，但在集成电路用高端引线框架铜材的研究和生产方面还存在着较大的差距。主要表现为：一是合金材料的种类少、产品的规格少，不能和为数众多的电子封装材料相匹配；二是产品性能的均匀一致性及稳定性稍差，影响集成电路的性能可靠性和加工的高效化；三是对高精度带材产品的应用性能缺乏系统的研究，目前缺乏系统的评价体系及简单易行的现场评价方法，影响其后续冲裁、电镀或蚀刻的使用。目前国内铜板带材高端产品尚需进口。
- （3）原材料价格波动剧烈 铜带成本约占引线框架成本的70%，铜带的价格与金属铜的价格直接相关。近几年金属铜的价格波动幅度较大，对本行业内企业的生产经营产生一定负面影响。引线框架生产企业必须控制采购成本的同时，尽可能的研发、生产具有高附加值的产品，以降低原材料价格波动所带来的影响。