半導體

物質存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。可以簡單的把介於導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。與導體和絕緣體相比，半導體材料的發現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以後，半導體的存在才真正被學術界認可。

半導體是指在常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的材料。半導體主要運用在收音機、電視機和測溫上。半導體是指一種導電性可控，範圍從絕緣體到導體之間的材料。從科學技術和經濟發展的角度 來看，半導體影響著人們的日常工作生活，直到20世紀30年代這一材料才被學界所認可。

半導體的發現實際上可以追溯到很久以前。

1833年，英國科學家電子學之父法拉第最先發現硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同於一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但法拉第發現硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。

不久，1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是後來人們熟知的光生伏特效應，這是被發現的半導體的第二個特性。

1873年，英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體的第三種特性。

在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導體所特有的第四種特性。同年，舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。

半導體的這四個特性，雖在1880年以前就先後被發現了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。

2019年10月，一國際科研團隊稱與傳統霍爾測量中僅獲得3個參數相比，新技術在每個測試光強度下最多可獲得7個參數：包括電子和空穴的遷移率；在光下的載荷子密度、重組壽命、電子、空穴和雙極性類型的擴散長度。

2021年5月24日，Strategy Analytics最新發布的研究報告《半導體短缺刺激全球和國家投資計劃》指出，汽車等細分市場的需求早於預期復甦、疫情驅動的需求、晶圓代工廠產能投資不足、庫存不足、雙重訂單和自然災害等一系列因素的共同作用導致了半導體短缺，促使許多國家展開大規模投資競賽，以確保供應。

（1）元素半導體。元素半導體是指單一元素構成的半導體，其中對硅、錫的研究比較早。它是由相同元素組成的具有半導體特性的固體材料，容易受到微量雜質和外界條件的影響而發生變化。目前，只有硅、鍺性能好，運用的比較廣，硒在電子照明和光電領域中應用。硅在半導體工業中運用的多，這主要受到二氧化硅的影響，能夠在器件製作上形成掩膜，能夠提高半導體器件的穩定性，利於自動化工業生產。

（2）無機合成物半導體。無機合成物主要是通過單一元素構成半導體材料，當然也有多種元素構成的半導體材料，主要的半導體性質有I族與V、VI、VII族；II族與IV、V、VI、VII族；III族與V、VI族；IV族與IV、VI族;V族與VI族；VI族與VI族的結合化合物，但受到元素的特性和製作方式的影響，不是所有的化合物都能夠符合半導體材料的要求。這一半導體主要運用到高速器件中，InP製造的晶體管的速度比其他材料都高，主要運用到光電集成電路、抗核輻射器件中。對於導電率高的材料，主要用於LED等方面。

（3）有機合成物半導體。有機化合物是指含分子中含有碳鍵的化合物，把有機化合物和碳鍵垂直，疊加的方式能夠形成導帶，通過化學的添加，能夠讓其進入到能帶，這樣可以發生電導率，從而形成有機化合物半導體。這一半導體和以往的半導體相比，具有成本低、溶解性好、材料輕加工容易的特點。可以通過控制分子的方式來控制導電性能，應用的範圍比較廣，主要用於有機薄膜、有機照明等方面。

（4）非晶態半導體。它又被叫做無定形半導體或玻璃半導體，屬於半導電性的一類材料。非晶半導體和其他非晶材料一樣，都是短程有序、長程無序結構。它主要是通過改變原子相對位置，改變原有的周期性排列，形成非晶硅。晶態和非晶態主要區別於原子排列是否具有長程序。非晶態半導體的性能控制難，隨著技術的發明，非晶態半導體開始使用。這一製作工序簡單，主要用於工程類，在光吸收方面有很好的效果，主要運用到太陽能電池和液晶顯示屏中。

（5）本徵半導體：不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半導體。在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶，受到熱激發后，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，稱為空穴。空穴導電並不是實際運動，而是一種等效。電子導電時等電量的空穴會沿其反方向運動。它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流，分別稱為電子導電和空穴導電。這種由於電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本徵導電。導帶中的電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱為複合。複合時釋放出的能量變成電磁輻射（發光）或晶格的熱振動能量（發熱）。在一定溫度下，電子-空穴對的產生和複合同時存在並達到動態平衡，此時半導體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時，將產生更多的電子-空穴對，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大，實際應用不多。

半導體晶元的製造過程可以分為沙子原料（石英）、硅錠、晶圓、光刻，蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試、包裝等諸多步驟，而且每一步裡邊又包含更多細緻的過程。

1、沙子：硅是地殼內第二豐富的元素，而脫氧后的沙子（尤其是石英）最多包含25%的硅元素，以二氧化硅（SiO2）的形式存在，這也是半導體製造產業的基礎。

2、硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級，下同。通過多步凈化得到可用於半導體製造質量的硅，學名電子級硅（EGS），平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最後得到的就是硅錠。

3、單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999%。

4、硅錠切割：橫向切割成圓形的單個矽片，也就是我們常說的晶圓（Wafer）。

5、晶圓：切割出的晶圓經過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。

6、光刻膠（Photo Resist）：圖中藍色部分就是在晶圓旋轉過程中澆上去的光刻膠液體，類似製作傳統膠片的那種。晶圓旋轉可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

7、光刻：光刻膠層隨後透過掩模（Mask）被曝光在紫外線（UV）之下，變得可溶，期間發生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預先設計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。

8、溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。

9、蝕刻：使用化學物質溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不應該蝕刻的部分。

10、清除光刻膠：蝕刻完成後，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設計好的電路圖案。

再次光刻膠：再次澆上光刻膠（藍色部分），然後光刻，並洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。

11、離子注入（Ion Implantation）：在真空系統中，用經過加速的、要摻雜的原子的離子照射（注入）固體材料，從而在被注入的區域形成特殊的注入層，並改變這些區域的硅的導電性。經過電場加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。

12、清除光刻膠：離子注入完成後，光刻膠也被清除，而注入區域（綠色部分）也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經有所不同。

13、晶體管就緒：至此，晶體管已經基本完成。在絕緣材（品紅色）上蝕刻出三個孔洞，並填充銅，以便和其它晶體管互連。

14、電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉澱到晶體管上。銅離子會從正極（陽極）走向負極（陰極）。

15、銅層：電鍍完成後，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。

16、拋光：將多餘的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

17、金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成複合互連金屬層，具體布局取決於相應處理器所需要的不同功能性。晶元表面看起來異常平滑，但事實上可能包含20多層複雜的電路，放大之後可以看到極其複雜的電路網路，形如未來派的多層高速公路系統。

18、晶圓測試：內核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊晶元進行對比。

19、晶圓切片（Slicing）：晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是晶元的內核（Die）。

20、丟棄瑕疵內核：晶圓級別。測試過程中發現的有瑕疵的內核被拋棄，留下完好的準備進入下一步

21、封裝

半導體材料光生伏特效應是太陽能電池運行的基本原理。現階段半導體材料的光伏應用已經成為一大熱門，是目前世界上增長最快、發展最好的清潔能源市場。太陽能電池的主要製作材料是半導體材料，判斷太陽能電池的優劣主要的標準是光電轉化率，光電轉化率越高，說明太陽能電池的工作效率越高。根據應用的半導體材料的不同，太陽能電池分為晶體硅太陽能電池、薄膜電池以及III-V族化合物電池。

LED是建立在半導體晶體管上的半導體發光二極體，採用LED技術半導體光源體積小，可以實現平面封裝，工作時發熱量低、節能高效，產品壽命長、反應速度快，而且綠色環保無污染，還能開發成輕薄短小的產品，一經問世，就迅速普及，成為新一代的優質照明光源，目前已經廣泛的運用在我們的生活中。如交通指示燈、電子產品的背光源、城市夜景美化光源、室內照明等各個領域，都有應用。

交流電和直流電的相互轉換對於電器的使用十分重要，是對電器的必要保護。這就要用到等電源轉換裝置。碳化硅擊穿電壓強度高，禁帶寬度寬，熱導性高，因此SiC半導體器件十分適合應用在功率密度和開關頻率高的場合，電源裝換裝置就是其中之一。碳化硅元件在高溫、高壓、高頻的又一表現使得現在被廣泛使用到深井鑽探，發電裝置中國的逆變器，電氣混動汽車的能量轉化器，輕軌列車牽引動力轉換等領域。由於SiC本身的優勢以及現階段行業對於輕量化、高轉換效率的半導體材料需要，SiC將會取代Si，成為應用最廣泛的半導體材料。

半導體製冷技術是目前的製冷技術中應用比較廣泛的。農作物在溫室大棚中生長中，半導體製冷技術可以對環境溫度有效控制，特別是一些對環境具有很高要求的植物，採用半導體製冷技術塑造生長環境，可以促進植物的生長。半導體製冷技術具有可逆性，可以用於製冷，也可以用於制熱，對環境溫度的調節具有良好的效果。

半導體製冷技術的應用原理是建立在帕爾帖原理的基礎上的。1334年，法國科學家帕爾帖發現了半導體製冷作用。帕爾貼原理又被稱為是”帕爾貼效益“，就是將兩種不同的導體充分運用起來，使用A和B組成的電路，通入直流電，在電路的接頭處可以產生焦耳熱，同時還會釋放出一些其它的熱量，此時就會發現，另一個接頭處不是在釋放熱量，而是在吸收熱量。這種現象是可逆的，只要對電流的方向進行改變，放熱和吸熱的運行就可以進行調節，電流的強度與吸收的熱量和放出的熱量之間存在正比例關係，與半導體自身所具備的性質也存在關係。由於金屬材料的帕爾帖效應是相對較弱的，而半導體材料基於帕爾帖原理運行，所產生的效應也會更強一些，所以，在製冷的材料中，半導體就成為了主要的原料。但是，對於這種材料的使用中，需要注意多數的半導體材料的無量綱值接近1，比固體理論模型要低一些，在實際數據的計算上所獲得的結果是4，所以，對於半導體材料的應用中，要使得半導體製冷技術合理運用，就要深入研究。

半導體製冷技術已經廣泛應用在醫藥領域中，工業領域中，即便是日常生活中也得以應用，所以，該技術是有非常要的發展前景的。

例如，將導體製冷技術用於現代的各種製冷設備中，諸如冰箱、空調等等，都可以配置電子冷卻器。半導體冰箱就是使用了半導體製冷技術。在具體的應用中，可以根據不同客戶的需要使用，以更好地滿足客戶的要求。

不同數量的半導體製冷晶元，在連接的過程中可以根據需要採用並聯的方式或串聯的方式，放置在合適的位置就可以發揮作用。二十世紀50年代，前蘇聯開發了一種小型模型冰箱，只有10升的容量，冰箱的體積非常小，使用便利。日本研製出一種冰箱，是專門用於儲存紅酒的。對於溫度要嚴格控制，應用半導體製冷技術就可以滿足冰箱的製冷要求。隨著社會的不斷發展，人們在追求生活質量的同時，對於製冷設備的要求也越來越高。當人們使用半導體冰箱的時候，就會發現這種冰箱比傳統冰箱的耗電量更低一些，甚至可以達到20%，節能效果良好。

使用半導體空調，與日常生活中使用的空調不同，而是應用於特殊場所中，諸如機艙、潛艇等等。採用相對穩定的製冷技術，不僅可以保證快速製冷，而且可能夠滿足半導體製冷技術的各項要求。一些美國公司發現半導體製冷技術還有一個重要的功能，就是在有源電池中合理應用，就可以確保電源持續供應，可以超過8小時。在汽車製冷設備中，半導體製冷技術也得到應用。包括農業、天文學以及醫學領域，半導體製冷技術也發揮著重要的作用。

（一）半導體製冷技術的難點

半導體製冷的過程中會涉及到很多的參數，而且條件是複雜多變的。任何一個參數對冷卻效果都會產生影響。實驗室研究中，由於難以滿足規定的雜訊，就需要對實驗室環境進行研究，但是一些影響因素的探討是存在難度的。半導體製冷技術是基於粒子效應的製冷技術，具有可逆性。所以，在製冷技術的應用過程中，冷熱端就會產生很大的溫差，對製冷效果必然會產生。

（二）半導體製冷技術所存在的問題

其一，半導體材料的優質係數不能夠根據需要得到進一 步的提升，這就必然會對半導體製冷技術的應用造成影響。其二，對冷端散熱系統和熱端散熱系統進行優化設計，但是在技術上沒有升級，依然處於理論階段，沒有在應用中更好地發揮作用，這就導致半導體製冷技術不能夠根據應用需要予以提升。其三，半導體製冷技術對於其他領域以及相關領域的應用存在局限性，所以，半導體製冷技術使用很少，對於半導體製冷技術的研究沒有從應用的角度出發，就難以在技術上擴展。其四，市場經濟環境中，科學技術的發展，半導體製冷技術要獲得發展，需要考慮多方面的問題。重視半導體製冷技術的應用，還要考慮各種影響因素，使得該技術更好地發揮作用。

以GaN（氮化鎵）為代表的第三代半導體材料及器件的開發是新興半導體產業的核心和基礎，其研究開發呈現出日新月異的發展勢態。GaN基光電器件中，藍色發光二極體LED率先實現商品化生產成功開發藍光LED和LD之後，科研方向轉移到GaN紫外光探測器上GaN材料在微波功率方面也有相當大的應用市場。氮化鎵半導體開關被譽為半導體晶元設計上一個新的里程碑。美國佛羅里達大學的科學家已經開發出一種可用於製造新型電子開關的重要器件，這種電子開關可以提供平穩、無間斷電源。

新型半導體材料在工業方面的應用越來越多。新型半導體材料表現為其結構穩定，擁有卓越的電學特性，而且成本低廉，可被用於製造現代電子設備中廣泛使用，我國與其他國家相比在這方面還有著很大一部分的差距，通常會表現在對一些基本儀器的製作和加工上，近幾年來，國家很多的部門已經針對我國相對於其他國家存在的弱勢，這一方面統一的組織了各個方面的群體，對其進行有效的領導，然後共同努力去研製更加高水平的半導體材料。這樣才能夠在很大程度上適應我國工業化的進步和發展，為我國社會進步提供更強大的動力。首先需要進一步對超晶格量子阱材料進行研發，目前我國半導體材料在這方面的發展背景來看，應該在很大程度上去提高超高亮度，紅綠藍光材料以及光通信材料，在未來的發展的主要研究方向上，同時要根據市場上，更新一代的電子器件以及電路等要求進行強化，將這些光電子結構的材料，在未來生產過程中的需求進行仔細的分析和探討，然後去滿足未來世界半導體發展的方向，我們需要選擇更加優化的布點，然後做好相關的開發和研究工作，這樣將各種研發機構與企業之間建立更好的溝通機制就可以在很大程度上實現高溫半導體材料，更深一步的開發和利用。