半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。我們知道,電路之所以具有某種功能,主要是因?yàn)槠鋬?nèi)部有電流的各種變化,而之所以形成電流,主要是因?yàn)橛须娮釉诮饘倬€路和電子元件之間流動(dòng)(運(yùn)動(dòng)/遷移)。所以,電子在材料中運(yùn)動(dòng)的難易程度,決定了其導(dǎo)電性能。常見的金屬材料在常溫下電子就很容易獲得能量發(fā)生運(yùn)動(dòng),因此其導(dǎo)電性能好;絕緣體由于其材料本身特性,電子很難獲得導(dǎo)電所需能量,其內(nèi)部很少電子可以遷移,因此幾乎不導(dǎo)電。而半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性則介于這兩者之間,并且可以通過摻入雜質(zhì)來改變其導(dǎo)電性能,人為控制它導(dǎo)電或者不導(dǎo)電以及導(dǎo)電的容易程度。這一點(diǎn)稱之為半導(dǎo)體的可摻雜特性。
前面說過,集成電路的基礎(chǔ)是晶體管,發(fā)明了晶體管才有可能創(chuàng)造出集成電路,而晶體管的基礎(chǔ)則是半導(dǎo)體,因此半導(dǎo)體也是集成電路的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體之于集成電路,如同土地之于城市。很明顯,山地、丘陵多者不適合建造城市,沙化土壤、石灰?guī)r多的地方也不適合建造城市。“建造”城市需要選一塊好地,“集成”電路也需要一塊合適的基礎(chǔ)材料——就是半導(dǎo)體。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵(化合物),其中應(yīng)用最廣的、商用化最成功的當(dāng)推“硅”。 那么半導(dǎo)體,特別是硅,為什么適合制造集成電路呢?有多方面的原因。硅是地殼中最豐富的元素,僅次于氧。自然界中的巖石、砂礫等存在大量硅酸鹽或二氧化硅,這是原料成本方面的原因。硅的可摻雜特性容易控制,容易制造出符合要求的晶體管,這是電路原理方面的原因。硅經(jīng)過氧化所形成的二氧化硅性能穩(wěn)定,能夠作為半導(dǎo)體器件中所需的優(yōu)良的絕緣膜使用,這是器件結(jié)構(gòu)方面的原因。最關(guān)鍵的一點(diǎn)還是在于集成電路的平面工藝,硅更容易實(shí)施氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝,更方便集成,其性能更容易得到控制。因此后續(xù)主要介紹的也是基于硅的集成電路知識,對硅晶體管和集成電路工藝有了解后,會更容易理解這個(gè)問題。
除了可摻雜性之外,半導(dǎo)體還具有熱敏性、光敏性、負(fù)電阻率溫度、可整流等幾個(gè)特性,因此半導(dǎo)體材料除了用于制造大規(guī)模集成電路之外,還可以用于功率器件、光電器件、壓力傳感器、熱電制冷等用途;利用微電子的超微細(xì)加工技術(shù),還可以制成MEMS(微機(jī)械電子系統(tǒng)),應(yīng)用在電子、醫(yī)療領(lǐng)域。
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