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内容简介

在我们生活的世界中，各种各样形形色色的事物和现象，其中都必定包含着科学的成分。在这些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你还一知半解的。面对未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科学”趣味科普丛书，把我们身边方方面面的科学知识活灵活现、生动有趣地展示给你，让你在畅快阅读中收获这些鲜活的科学知识！

笔记本电脑中CPU的存储功能当然不必说了，从先进的智能家电到高性能的汽车，几乎所有的设备中都必不可少半导体器件和集成电路。正是技术人员们无穷的创意、智慧和辛勤，我们才享受到了如此尖端的科技，就让我们从这些丰富的彩图当中来了解一下半导体以及这其中凝结着的人类智慧吧！

本书适合青少年读者、科学爱好者以及大众读者阅读。

作者简介

史蹟

1984年毕业于大连理工大学金属材料专业，1997年获东京工业大学金属工学博士学位，2004年任东京工业大学材料工学副教授，2012年4月升任教授至今。现从事金属物理、功能材料、结构分析等材料科学的研究。

譚毅

1993年3月获东京工业大学金属工学博士学位，1997年与2001年分别在日本超高温材料研究所和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校任研究员，2009年受聘于大连理工大学，任材料学院教授、能源研究院副院长至今。现从事冶金法提纯多晶硅材料、薄膜材料、高温材料等新能源材料的研究。

目　　录

第1章半导体基础
001 介于导体和绝缘体之间的物质——半导体
002 半导体也有很多种① 半导体的种类
003 半导体也有很多种② 半导体的骄子——硅
004 固态硅的三种形态单晶、多晶、非晶
005 硅半导体内的电传导① 自由电子导电的n型硅
006 硅半导体内导电的物质② 空穴导电的p型硅
007 半导体中的电子和空穴是如何运动的? 能带和能带理论①
008 半导体中的电子和空穴是如何运动的? 能带和能带理论②
009 具有与硅不同特征的半导体由2种以上元素构成的“化合物半导体”
COLUMN 氧化物半导体和有机半导体
第2章半导体器件
010 能阻碍电流流动的电阻半导体制造的“电阻元件”
011 能暂时储存电的电容半导体制造的“电容元件”

第1章 半导体基础 001 介于导体和绝缘体之间的物质——半导体 002 半导体也有很多种① 半导体的种类 003 半导体也有很多种② 半导体的骄子——硅 004 固态硅的三种形态 单晶、多晶、非晶 005 硅半导体内的电传导① 自由电子导电的n型硅 006 硅半导体内导电的物质② 空穴导电的p型硅 007 半导体中的电子和空穴是如何运动的? 能带和能带理论① 008 半导体中的电子和空穴是如何运动的? 能带和能带理论② 009 具有与硅不同特征的半导体 由2种以上元素构成的“化合物半导体” COLUMN 氧化物半导体和有机半导体 第2章 半导体器件 010 能阻碍电流流动的电阻 半导体制造的“电阻元件” 011 能暂时储存电的电容 半导体制造的“电容元件” 012 使电流单向流动的器件 pn结二极管 013 把光变成电的半导体器件 光电二极管 014 把电变成光的半导体器件 发光二极管 015 通信和存储方面的广泛应用 半导体激光 016 晶体管是什么 代表性晶体管的种类 017 以电子作为载流子的MOS晶体管 n沟道型 018 以空穴作为载流子的MOS晶体管 p沟道型 019 让移动设备成为可能 CMOS 020 用pn结作为栅极的晶体管 JFET 021 利用肖特基栅极的晶体管 MESFET 022 利用电子与空穴的晶体管 双极型晶体管 COLUMN 晶体管的诞生 第3章 半导体集成电路——逻辑电路 023 将电子元器件和线路制作在半导体电路板上 集成电路 024 各种各样的IC 根据结构、基板、信号不同而不同 025 芯片上能够装多少个元件 根据集成度进行的MOS-IC分类 026 IC都有什么样的功能 按功能对MOS-IC分类 027 逻辑电路的数学基础 布尔代数 028 逻辑电路的基本组成要素“门电路”① NOT电路 029 逻辑电路的基本组成要素“门电路”② OR电路 030 逻辑电路的基本组成要素“门电路”③ AND电路 031 进行加法运算的电路 加法电路 032 进行减法运算的电路 减法电路 033 比较判断信号大小的电路 比较电路和异或电路 034 实现作为计算机大脑功能的IC MPU 035 实现微机功能的IC MCU 036 处理数字信号的特殊处理器 DSP 037 根据使用者、用途不同而被专用化的IC ASIC 038 用户可自己变更功能的逻辑电路 可编程逻辑器件PLD 039 在IC芯片上实现系统功能 系统LSI 040 被称作电子眼的IC CCD COLUMN 最早的电子计算机 第4章 半导体集成电路——存储器 041 暂时记录数据的电路 触发器和暂存器 042 记忆信息的半导体的结构 043 计算机的主要存储器 DRAM 044 不需要保存过程的高速存储器 SRAM 045 制造阶段记录数据的存储器 掩模式只读内存 046 切断电源也可以持续记忆的存储器 闪存 047 相同数量的存储单元记忆容量增加 多值内存 COLUMN 微型化的指导原理——定标原理 第5章 IC的开发和设计 048 IC开发流程 从市场调查到上市 049 IC的分层设计 从系统设计到版图设计 050 关于 IC的元件尺寸与位置关系的规则 设计标准 051 设计IC的结构和电特性 设备设计 052 设计IC的制造方法 流程设计 COLUMN 半导体业的分化 第6章 硅晶片的制作方法 053 硅元素无处不在 054 多晶硅是硅石经还原、转化、蒸馏而成的 055 使单晶硅棒生长的CZ法 056 单晶棒切片以及磨面加工 057 以毒制毒 晶体吸杂 058 硅晶片派生物 外延生长晶片和SOI COLUMN 硅晶片的性能要求 第7章 IC的制作方法①——前工序 059 IC的整体制造过程概观 前工序和后工序 060 原件形成前工序的前半部分① FEOL 061 原件形成前工序的前半部分② FEOL 062 配线形成前工序的后半部分 BEOL 063 导体、绝缘体、半导体的薄膜形成技术 成膜工程 064 把掩膜形式转变成晶片 光刻技术 065 材料膜腐蚀去除 蚀刻法 066 半导体里加入杂质 热扩散和离子注入 067 各种热处理的作用 推进、回流、退火 068 晶片表面完全平整化 CMP 069 清洁晶片 清洗 070 判定晶片上芯片的优劣 晶片检测和修饰 COLUMN 净化车间 第8章 集成电路的制作方法②——后工序 071 把晶圆切割成一个个芯片 切割 072 芯片封装 安装 073 芯片电极和包装接线柱的连接 金属丝焊接 074 芯片封装 密封 075 封装接线端识别IC 引线镀金、盖印、成形 076 包装的种类 通孔安装和表面安装 077 IC的形状和特性检测 检查和分类 COLUMN IC的可靠性和筛选 第9章 半导体尖端技术 078 硅晶圆的大尺寸化 下一代晶圆是450mm 079 MOS晶体管高速化 应变硅技术 080 新结构MOS晶体管 被称作最终的晶体管结构 081 光刻技术的未来① 浸没式曝光和双重曝光 082 光刻技术的未来② EUV 083 光刻技术的未来③ ML2和纳米压印 084 万能的功能存储器可以实现吗① 功能存储器的候选技术 085 万能的功能存储器可以实现吗② 强电介质存储器和磁性存储器 086 万能的功能存储器可以实现吗③ 相变存储器和可变电阻式存储器 087 新材料引进带来的突破① 高-k栅极绝缘膜和金属栅极 088 新材料引进带来的突破② DRAM高容量膜和低-k层间绝缘膜 COLUMN “More Moore”和“More than Moore” 参考文献 译后记

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在线试读部分章节

001 介于导体和绝缘体之间的物质――半导体

物质分为易导电和不易导电两大类。能够很好导电的物质称为导体，几乎不导电的物质称为绝缘体。导体也称为导电体或良导体，代表性的导体有金、银、铜、铝等金属。绝缘体有聚乙烯、橡胶、硫、玻璃等。

作为物质的固有性质，导电性用电导率来表示。电导率用符号σ（西格玛）表示，单位为S/m（西门子/米）。此外，电导率的倒数1/σ称为电阻率。电阻率用 ρ （肉）表示，单位为Ω?m（欧姆?米）。电阻率 ρ 是用来表示物质导电难易程度的物理量。

在单位横截面积、单位长度的试样两端加上电压V （伏特）时，若接线柱之间的电流为 I （安培），有下式成立：V =ρ I ， I =σ V根据电阻率ρ 的大小，大体可按以下方法将导体和绝缘体分类：导体：ρ ＜10-6Ω?m，绝缘体： ρ ＞107Ω?m另外，电阻率处于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，即半导体： 10-6Ω?m≤ρ ≤107Ω?m半导体的英文为semiconductor，意思是semi（半）+conductor（导体）。半导体分为元素半导体、化合物半导体、氧化物半导体以及有机半导体等，（002 ）以后将分别说明。表1给出了以电阻率分类的各种物质。

半导体电阻率的变化范围是0～1013。

半导体有单元素、化合物、氧化物、有机等许多种类。

表 1 根据电阻率的物质分类

001 介于导体和绝缘体之间的物质――半导体 
 物质分为易导电和不易导电两大类。能够很好导电的物质称为导体，几乎不导电的物质称为绝缘体。导体也称为导电体或良导体，代表性的导体有金、银、铜、铝等金属。绝缘体有聚乙烯、橡胶、硫、玻璃等。 
 作为物质的固有性质，导电性用电导率来表示。电导率用符号σ（西格玛）表示，单位为S/m（西门子/米）。此外，电导率的倒数1/σ称为电阻率。电阻率用 ρ （肉）表示，单位为Ω?m（欧姆?米）。电阻率 ρ 是用来表示物质导电难易程度的物理量。 
 在单位横截面积、单位长度的试样两端加上电压V （伏特）时，若接线柱之间的电流为 I （安培），有下式成立：V =ρ I ， I =σ V根据电阻率ρ 的大小，大体可按以下方法将导体和绝缘体分类：导体：ρ ＜10-6Ω?m， 绝缘体： ρ ＞107Ω?m另外，电阻率处于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，即半导体： 10-6Ω?m≤ρ ≤107Ω?m半导体的英文为semiconductor，意思是semi（半）+conductor（导体）。半导体分为元素半导体、化合物半导体、氧化物半导体以及有机半导体等，（002 ）以后将分别说明。表1给出了以电阻率分类的各种物质。 
 半导体电阻率的变化范围是0～1013。 
 半导体有单元素、化合物、氧化物、有机等许多种类。 
 表 1 根据电阻率的物质分类 
 根据导电难易程度，处于导体和绝缘体之间的为半导体，电阻率为几μΩ?m～10MΩ?m的半导体可分为元素半导体、化合物半导体、氧化物半导体、有机半导体4类。 
 导体中存在许多能够自由移动的电子，绝缘体中的电子不能自由移动。半导体中同时存在能够自由移动的电子和不能自由移动的电子。 
 002 半导体也有很多种①半导体的种类 
 （001 ）中，我们已经对半导体是具有导体和绝缘体之间的电导率（或是电阻率）的物质进行了说明。半导体也是有很多种类的，在这里，我们看一下半导体的种类。 
 如表1所示，半导体分为无机半导体和有机半导体，无机半导体又分为元素半导体、化合物半导体、氧化物半导体。元素半导体，顾名思义，是由单一元素形成的半导体，包括硅（Si）、锗（Ge）、碳（C）、碲（Te）等。 
 化合物半导体是由两种以上元素组成的化合物形成的半导体。化合物半导体根据构成元素的数量分为二元化合物半导体、三元化合物半导体等。二元化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN） 、磷化铟（InP）、碳化硅（SiC）等。三元化合物半导体，如铝镓砷（AlGaAs）等。 
 氧化物半导体是由某种金属的氧化物构成的半导体，如氧化锌（ZnO）、铟锡氧化物（ITO）、铟镓锌氧化物（IGZO）等。 
 有机半导体由有机材料构成，如并四苯、蒽等。 
 半导体也分为不含杂质（导电型杂质）具有半导体性质的本征半导体和掺入一定量杂质具有半导体性质的杂质半导体。 
 半导体这种物质除了电阻率介于导体和绝缘体之间以外，根据物质特有形态（如纯度、存在形状）和环境（如温度、压力、加速度）等的不同，电学性能也有很大变化。后续提到的很多电子装置正是很好地利用了半导体的这些性质。 
 半导体分为不含杂质的本征半导体和含有杂质的杂质半导体。 
 半导体根据状态和环境的不同，电学性能也有很大变化。 
 表 1 半导体的种类半导体分为有机半导体和无机半导体。被广泛应用的无机半导体分为单元素半导体、化合物半导体、氧化物半导体。化合物半导体根据组成元素所处元素周期表中族和种类、数目进行详细划分。 
 与这种分类方法不同的还可以将半导体分为不含导电型杂质的本征半导体和含杂质的杂质半导体003 半导体也有很多种②半导体的骄子――硅（002 ）中所述的元素半导体中，目前应用最为广泛的是硅（Si）。硅元素在地壳表面的相对平均含量（克拉克值）为25.8%，仅次于含量为49.5%的氧，位列第二，是极其常见的元素。表1中按由大到小的顺序给出了主要元素的克拉克值。 
 硅是元素周期表第14号元素，属于ⅠⅤ族。如图1所示，硅原子由14个质子和14个中子组成的原子核及环绕原子核周围的14个电子组成，最外层轨道上有4个电子。硅原子在和其他硅原子或者别的原子结合时，形成4个化学键。相邻的原子之间共同拥有2个电子，这种结合称为共价键。 
 如图2所示，硅原子与周围4个硅原子以共价键结合形成规则排列的结构，称为单晶硅。为了便于理解，图2显示的是平面结构，实际上应是立体结构。这个结构基本上与金刚石的晶体结构相同，称为金刚石结构。 
 单晶硅的薄圆板称为硅片，是制作许多半导体装置的原材料。 
 因此硅片也称为硅基板。 
 关于单晶硅和硅片的制作方法，将在第6章中详细介绍。表2总结了硅材料的各种性质。硅的各种存在形态将在（004 ）中介绍。 
 半导体的代表性物质硅是常见元素。 
 由2个共价电子稳定结合而成的单晶硅。 
 表 1 克拉克值图 2 单晶硅的结构模型共价键（covalent bond）：两个硅原子互相拿出最外层的一个电子,原子间通过共有这两个电子相结合金刚石结构：由两个一组的电子稳定地结合而成。 
 单晶硅具有与金刚石相同的晶体结构图 1 硅的原子结构表 2 硅的各种性质

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