半导体（介于导体与绝缘体之间的材料）

基本概况

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体主要运用在收音机、电视机和测温上。半导体是指一种导电性可控，范围从绝缘体到导体之间的材料。从科学技术和经济发展的角度 来看，半导体影响着人们的日常工作生活，直到20世纪30年代这一材料才被学界所认可。

发展历史

半导体的发现实际上可以追溯到很久以前。

1833年，英国科学家电子学之父法拉第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，但法拉第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性。

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，这是半导体的第三种特性。

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四种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

半导体的这四个特性，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。

2019年10月，一国际科研团队称与传统霍尔测量中仅获得3个参数相比，新技术在每个测试光强度下最多可获得7个参数：包括电子和空穴的迁移率；在光下的载荷子密度、重组寿命、电子、空穴和双极性类型的扩散长度。

2021年5月24日，Strategy Analytics最新发布的研究报告《半导体短缺刺激全球和国家投资计划》指出，汽车等细分市场的需求早于预期复苏、疫情驱动的需求、晶圆代工厂产能投资不足、库存不足、双重订单和自然灾害等一系列因素的共同作用导致了半导体短缺，促使许多国家展开大规模投资竞赛，以确保供应。^[1]

2022年10月消息，日本大阪大学、三重大学、美国康奈尔大学的研究团队开发出了用于“6G”的半导体成膜技术。^[2]

分类及性能

（1）元素半导体。元素半导体是指单一元素构成的半导体，其中对硅、锡的研究比较早。它是由相同元素组成的具有半导体特性的固体材料，容易受到微量杂质和外界条件的影响而发生变化。目前，只有硅、锗（zhě）性能好，运用的比较广，硒在电子照明和光电领域中应用。硅在半导体工业中运用的多，这主要受到二氧化硅的影响，能够在器件制作上形成掩膜，能够提高半导体器件的稳定性，利于自动化工业生产。

（2）无机合成物半导体。无机合成物主要是通过单一元素构成半导体材料，当然也有多种元素构成的半导体材料，主要的半导体性质有I族与V、VI、VII族；II族与IV、V、VI、VII族；III族与V、VI族；IV族与IV、VI族;V族与VI族；VI族与VI族的结合化合物，但受到元素的特性和制作方式的影响，不是所有的化合物都能够符合半导体材料的要求。这一半导体主要运用到高速器件中，InP制造的晶体管的速度比其他材料都高，主要运用到光电集成电路、抗核辐射器件中。对于导电率高的材料，主要用于LED等方面。

（3）有机合成物半导体。有机化合物是指含分子中含有碳键的化合物，把有机化合物和碳键垂直，叠加的方式能够形成导带，通过化学的添加，能够让其进入到能带，这样可以发生电导率，从而形成有机化合物半导体。这一半导体和以往的半导体相比，具有成本低、溶解性好、材料轻加工容易的特点。可以通过控制分子的方式来控制导电性能，应用的范围比较广，主要用于有机薄膜、有机照明等方面。

（4）非晶态半导体。它又被叫做无定形半导体或玻璃半导体，属于半导电性的一类材料。非晶半导体和其他非晶材料一样，都是短程有序、长程无序结构。它主要是通过改变原子相对位置，改变原有的周期性排列，形成非晶硅。晶态和非晶态主要区别于原子排列是否具有长程序。非晶态半导体的性能控制难，随着技术的发明，非晶态半导体开始使用。这一制作工序简单，主要用于工程类，在光吸收方面有很好的效果，主要运用到太阳能电池和液晶显示屏中。

（5）本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。空穴导电并不是实际运动，而是一种等效。电子导电时等电量的空穴会沿其反方向运动。它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子-空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。

半导体的制备

半导体芯片的制造过程可以分为沙子原料（石英）、硅锭、晶圆、光刻，蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装等诸多步骤，而且每一步里边又包含更多细致的过程。

1、沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子（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，这也是半导体制造产业的基础。

2、硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅（EGS），平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭。

3、单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.9999%。

4、硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆（Wafer）。

5、晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。

6、光刻胶（Photo Resist）：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。

7、光刻：光刻胶层随后透过掩模（Mask）被曝光在紫外线（UV）之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。

8、溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。

9、蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。

10、清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

再次光刻胶：再次浇上光刻胶（蓝色部分），然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

11、离子注入（Ion Implantation）：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

12、清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域（绿色部分）也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。

13、晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材（品红色）上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

14、电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极（阳极）走向负极（阴极）。

15、铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

16、抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

17、金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。

18、晶圆测试：内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。

19、晶圆切片（Slicing）：晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是芯片的内核（Die）。

20、丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步

21、封装

半导体应用

半导体材料光生伏特效应是太阳能电池运行的基本原理。现阶段半导体材料的光伏应用已经成为一大热门，是目前世界上增长最快、发展最好的清洁能源市场。太阳能电池的主要制作材料是半导体材料，判断太阳能电池的优劣主要的标准是光电转化率，光电转化率越高，说明太阳能电池的工作效率越高。根据应用的半导体材料的不同，太阳能电池分为晶体硅太阳能电池、薄膜电池以及III-V族化合物电池。

LED是建立在半导体晶体管上的半导体发光二极管，采用LED技术半导体光源体积小，可以实现平面封装，工作时发热量低、节能高效，产品寿命长、反应速度快，而且绿色环保无污染，还能开发成轻薄短小的产品，一经问世，就迅速普及，成为新一代的优质照明光源，目前已经广泛的运用在我们的生活中。如交通指示灯、电子产品的背光源、城市夜景美化光源、室内照明等各个领域，都有应用。

交流电和直流电的相互转换对于电器的使用十分重要，是对电器的必要保护。这就要用到等电源转换装置。碳化硅击穿电压强度高，禁带宽度宽，热导性高，因此SiC半导体器件十分适合应用在功率密度和开关频率高的场合，电源装换装置就是其中之一。碳化硅元件在高温、高压、高频的又一表现使得现在被广泛使用到深井钻探，发电装置中国的逆变器，电气混动汽车的能量转化器，轻轨列车牵引动力转换等领域。由于SiC本身的优势以及现阶段行业对于轻量化、高转换效率的半导体材料需要，SiC将会取代Si，成为应用最广泛的半导体材料。

制冷技术

半导体制冷技术是目前的制冷技术中应用比较广泛的。农作物在温室大棚中生长中，半导体制冷技术可以对环境温度有效控制，特别是一些对环境具有很高要求的植物，采用半导体制冷技术塑造生长环境，可以促进植物的生长。半导体制冷技术具有可逆性，可以用于制冷，也可以用于制热，对环境温度的调节具有良好的效果。

半导体制冷技术的应用原理是建立在帕尔帖原理的基础上的。1834年，法国科学家帕尔帖发现了半导体制冷作用。帕尔贴原理又被称为是”帕尔贴效益“，就是将两种不同的导体充分运用起来，使用A和B组成的电路，通入直流电，在电路的接头处可以产生焦耳热，同时还会释放出一些其它的热量，此时就会发现，另一个接头处不是在释放热量，而是在吸收热量。这种现象是可逆的，只要对电流的方向进行改变，放热和吸热的运行就可以进行调节，电流的强度与吸收的热量和放出的热量之间存在正比例关系，与半导体自身所具备的性质也存在关系。由于金属材料的帕尔帖效应是相对较弱的，而半导体材料基于帕尔帖原理运行，所产生的效应也会更强一些，所以，在制冷的材料中，半导体就成为了主要的原料。但是，对于这种材料的使用中，需要注意多数的半导体材料的无量纲值接近1，比固体理论模型要低一些，在实际数据的计算上所获得的结果是4，所以，对于半导体材料的应用中，要使得半导体制冷技术合理运用，就要深入研究。

半导体制冷技术已经广泛应用在医药领域中，工业领域中，即便是日常生活中也得以应用，所以，该技术是有非常要的发展前景的。

例如，将导体制冷技术用于现代的各种制冷设备中，诸如冰箱、空调等等，都可以配置电子冷却器。半导体冰箱就是使用了半导体制冷技术。在具体的应用中，可以根据不同客户的需要使用，以更好地满足客户的要求。

不同数量的半导体制冷芯片，在连接的过程中可以根据需要采用并联的方式或串联的方式，放置在合适的位置就可以发挥作用。二十世纪50年代，前苏联开发了一种小型模型冰箱，只有10升的容量，冰箱的体积非常小，使用便利。日本研制出一种冰箱，是专门用于储存红酒的。对于温度要严格控制，应用半导体制冷技术就可以满足冰箱的制冷要求。随着社会的不断发展，人们在追求生活质量的同时，对于制冷设备的要求也越来越高。当人们使用半导体冰箱的时候，就会发现这种冰箱比传统冰箱的耗电量更低一些，甚至可以达到20%，节能效果良好。

使用半导体空调，与日常生活中使用的空调不同，而是应用于特殊场所中，诸如机舱、潜艇等等。采用相对稳定的制冷技术，不仅可以保证快速制冷，而且可能够满足半导体制冷技术的各项要求。一些美国公司发现半导体制冷技术还有一个重要的功能，就是在有源电池中合理应用，就可以确保电源持续供应，可以超过8小时。在汽车制冷设备中，半导体制冷技术也得到应用。包括农业、天文学以及医学领域，半导体制冷技术也发挥着重要的作用。

（一）半导体制冷技术的难点

半导体制冷的过程中会涉及到很多的参数，而且条件是复杂多变的。任何一个参数对冷却效果都会产生影响。实验室研究中，由于难以满足规定的噪声，就需要对实验室环境进行研究，但是一些影响因素的探讨是存在难度的。半导体制冷技术是基于粒子效应的制冷技术，具有可逆性。所以，在制冷技术的应用过程中，冷热端就会产生很大的温差，对制冷效果必然会产生。

（二）半导体制冷技术所存在的问题

其一，半导体材料的优质系数不能够根据需要得到进一 步的提升，这就必然会对半导体制冷技术的应用造成影响。其二，对冷端散热系统和热端散热系统进行优化设计，但是在技术上没有升级，依然处于理论阶段，没有在应用中更好地发挥作用，这就导致半导体制冷技术不能够根据应用需要予以提升。其三，半导体制冷技术对于其他领域以及相关领域的应用存在局限性，所以，半导体制冷技术使用很少，对于半导体制冷技术的研究没有从应用的角度出发，就难以在技术上扩展。其四，市场经济环境中，科学技术的发展，半导体制冷技术要获得发展，需要考虑多方面的问题。重视半导体制冷技术的应用，还要考虑各种影响因素，使得该技术更好地发挥作用。

未来发展

以GaN（氮化镓）为代表的第三代半导体材料及器件的开发是新兴半导体产业的核心和基础，其研究开发呈现出日新月异的发展势态。GaN基光电器件中，蓝色发光二极管LED率先实现商品化生产成功开发蓝光LED和LD之后，科研方向转移到GaN紫外光探测器上GaN材料在微波功率方面也有相当大的应用市场。氮化镓半导体开关被誉为半导体芯片设计上一个新的里程碑。美国佛罗里达大学的科学家已经开发出一种可用于制造新型电子开关的重要器件，这种电子开关可以提供平稳、无间断电源。

新型半导体材料在工业方面的应用越来越多。新型半导体材料表现为其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用，我国与其他国家相比在这方面还有着很大一部分的差距，通常会表现在对一些基本仪器的制作和加工上，近几年来，国家很多的部门已经针对我国相对于其他国家存在的弱势，这一方面统一的组织了各个方面的群体，对其进行有效的领导，然后共同努力去研制更加高水平的半导体材料。这样才能够在很大程度上适应我国工业化的进步和发展，为我国社会进步提供更强大的动力。首先需要进一步对超晶格量子阱材料进行研发，目前我国半导体材料在这方面的发展背景来看，应该在很大程度上去提高超高亮度，红绿蓝光材料以及光通信材料，在未来的发展的主要研究方向上，同时要根据市场上，更新一代的电子器件以及电路等要求进行强化，将这些光电子结构的材料，在未来生产过程中的需求进行仔细的分析和探讨，然后去满足未来世界半导体发展的方向，我们需要选择更加优化的布点，然后做好相关的开发和研究工作，这样将各种研发机构与企业之间建立更好的沟通机制就可以在很大程度上实现高温半导体材料，更深一步的开发和利用。