在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現(xiàn)象，其中都必定包含著科學(xué)的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。面對未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！"形形色色的科學(xué)"趣味科普叢書，把我們身邊方方面面的科學(xué)知識活靈活現(xiàn)、生動有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收獲這些鮮活的科學(xué)知識！
筆記本電腦中CPU的存儲功能當(dāng)然不必說了，從先進(jìn)的智能家電到高性能的汽車，幾乎所有的設(shè)備中都必不可少半導(dǎo)體器件和集成電路。正是技術(shù)人員們無窮的創(chuàng)意、智慧和辛勤，我們才享受到了如此尖端的科技，就讓我們從這些豐富的彩圖當(dāng)中來了解一下半導(dǎo)體以及這其中凝結(jié)著的人類智慧吧！
本書適合青少年讀者、科學(xué)愛好者以及大眾讀者閱讀。
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史蹟
1984年畢業(yè)于大連理工大學(xué)金屬材料專業(yè)，1997年獲東京工業(yè)大學(xué)金屬工學(xué)博士學(xué)位，2004年任東京工業(yè)大學(xué)材料工學(xué)副教授，2012年4月升任教授至今。現(xiàn)從事金屬物理、功能材料、結(jié)構(gòu)分析等材料科學(xué)的研究。
譚毅
1993年3月獲東京工業(yè)大學(xué)金屬工學(xué)博士學(xué)位，1997年與2001年分別在日本超高溫材料研究所和美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校任研究員，2009年受聘于大連理工大學(xué)，任材料學(xué)院教授、能源研究院副院長至今。現(xiàn)從事冶金法提純多晶硅材料、薄膜材料、高溫材料等新能源材料的研究。
第1章 半導(dǎo)體基
001 介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)——半導(dǎo)體
002 半導(dǎo)體也有很多種① 半導(dǎo)體的種類
003 半導(dǎo)體也有很多種② 半導(dǎo)體的驕子——硅
004 固態(tài)硅的三種形態(tài) 單晶、多晶、非晶
005 硅半導(dǎo)體內(nèi)的電傳導(dǎo)① 自由電子導(dǎo)電的n型硅
006 硅半導(dǎo)體內(nèi)導(dǎo)電的物質(zhì)② 空穴導(dǎo)電的p型硅
007 半導(dǎo)體中的電子和空穴是如何運(yùn)動的? 能帶和能帶理論①
008 半導(dǎo)體中的電子和空穴是如何運(yùn)動的? 能帶和能帶理論②
009 具有與硅不同特征的半導(dǎo)體 由2種以上元素構(gòu)成的"化合物半導(dǎo)體"
COLUMN 氧化物半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體
第2章 半導(dǎo)體器件
010 能阻礙電流流動的電阻 半導(dǎo)體制造的"電阻元件"
011 能暫時儲存電的電容 半導(dǎo)體制造的"電容元件"
012 使電流單向流動的器件 pn結(jié)二極管
013 把光變成電的半導(dǎo)體器件 光電二極管
014 把電變成光的半導(dǎo)體器件 發(fā)光二極管
015 通信和存儲方面的廣泛應(yīng)用 半導(dǎo)體激光
016 晶體管是什么 代表性晶體管的種類
017 以電子作為載流子的MOS晶體管 n溝道型
018 以空穴作為載流子的MOS晶體管 p溝道型
019 讓移動設(shè)備成為可能 CMOS
020 用pn結(jié)作為柵極的晶體管 JFET
021 利用肖特基柵極的晶體管 MESFET
022 利用電子與空穴的晶體管 雙極型晶體管
COLUMN 晶體管的誕生
第3章 半導(dǎo)體集成電路——邏輯電路
023 將電子元器件和線路制作在半導(dǎo)體電路板上 集成電路
024 各種各樣的IC 根據(jù)結(jié)構(gòu)、基板、信號不同而不同
025 芯片上能夠裝多少個元件 根據(jù)集成度進(jìn)行的MOS-IC分類
026 IC都有什么樣的功能 按功能對MOS-IC分類
027 邏輯電路的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 布爾代數(shù)
028 邏輯電路的基本組成要素"門電路"① NOT電路
029 邏輯電路的基本組成要素"門電路"② OR電路
030 邏輯電路的基本組成要素"門電路"③ AND電路
031 進(jìn)行加法運(yùn)算的電路 加法電路
032 進(jìn)行減法運(yùn)算的電路 減法電路
033 比較判斷信號大小的電路 比較電路和異或電路
034 實(shí)現(xiàn)作為計算機(jī)大腦功能的IC MPU
035 實(shí)現(xiàn)微機(jī)功能的IC MCU
036 處理數(shù)字信號的特殊處理器 DSP
037 根據(jù)使用者、用途不同而被專用化的IC ASIC
038 用戶可自己變更功能的邏輯電路 可編程邏輯器件PLD
039 在IC芯片上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能 系統(tǒng)LSI
040 被稱作電子眼的IC CCD
COLUMN 最早的電子計算機(jī)
第4章 半導(dǎo)體集成電路——存儲器
041 暫時記錄數(shù)據(jù)的電路 觸發(fā)器和暫存器
042 記憶信息的半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)
043 計算機(jī)的主要存儲器 DRAM
044 不需要保存過程的高速存儲器 SRAM
045 制造階段記錄數(shù)據(jù)的存儲器 掩模式只讀內(nèi)存
046 切斷電源也可以持續(xù)記憶的存儲器 閃存
047 相同數(shù)量的存儲單元記憶容量增加 多值內(nèi)存
COLUMN 微型化的指導(dǎo)原理——定標(biāo)原理
第5章 IC的開發(fā)和設(shè)計
048 IC開發(fā)流程 從市場調(diào)查到上市
049 IC的分層設(shè)計 從系統(tǒng)設(shè)計到版圖設(shè)計
050 關(guān)于 IC的元件尺寸與位置關(guān)系的規(guī)則 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
051 設(shè)計IC的結(jié)構(gòu)和電特性 設(shè)備設(shè)計
052 設(shè)計IC的制造方法 流程設(shè)計
COLUMN 半導(dǎo)體業(yè)的分化
第6章 硅晶片的制作方法
053 硅元素?zé)o處不在
054 多晶硅是硅石經(jīng)還原、轉(zhuǎn)化、蒸餾而成的
055 使單晶硅棒生長的CZ法
056 單晶棒切片以及磨面加工
057 以毒制毒 晶體吸雜
058 硅晶片派生物 外延生長晶片和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的整體制造過程概觀 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 配線形成前工序的后半部分 BEOL
063 導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體的薄膜形成技術(shù) 成膜工程
064 把掩膜形式轉(zhuǎn)變成晶片 光刻技術(shù)
065 材料膜腐蝕去除 蝕刻法
066 半導(dǎo)體里加入雜質(zhì) 熱擴(kuò)散和離子注入
067 各種熱處理的作用 推進(jìn)、回流、退火
068 晶片表面平整化 CMP
069 清潔晶片 清洗
070 判定晶片上芯片的優(yōu)劣 晶片檢測和修飾
COLUMN 凈化車間
第8章 集成電路的制作方法②——后工序
071 把晶圓切割成一個個芯片 切割
072 芯片封裝 安裝
073 芯片電極和包裝接線柱的連接 金屬絲焊接
074 芯片封裝 密封
075 封裝接線端識別IC 引線鍍金、蓋印、成形
076 包裝的種類 通孔安裝和表面安裝
077 IC的形狀和特性檢測 檢查和分類
COLUMN IC的性和篩選
第9章 半導(dǎo)體尖端技術(shù)
078 硅晶圓的大尺寸化 下一代晶圓是450mm
079 MOS晶體管高速化 應(yīng)變硅技術(shù)
080 新結(jié)構(gòu)MOS晶體管 被稱作最終的晶體管結(jié)構(gòu)
081 光刻技術(shù)的未來① 浸沒式曝光和雙重曝光
082 光刻技術(shù)的未來② EUV
083 光刻技術(shù)的未來③ ML2和納米壓印
084 萬能的功能存儲器可以實(shí)現(xiàn)嗎① 功能存儲器的候選技術(shù)
085 萬能的功能存儲器可以實(shí)現(xiàn)嗎② 強(qiáng)電介質(zhì)存儲器和磁性存儲器
086 萬能的功能存儲器可以實(shí)現(xiàn)嗎③ 相變存儲器和可變電阻式存儲器
087 新材料引進(jìn)帶來的突破① 高-k柵極絕緣膜和金屬柵極
088 新材料引進(jìn)帶來的突破② DRAM高容量膜和低-k層間絕緣膜
COLUMN "More Moore"和"More than Moore"
參考文獻(xiàn)
譯后記
001 介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)――半導(dǎo)體
物質(zhì)分為易導(dǎo)電和不易導(dǎo)電兩大類。能夠很好導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，幾乎不導(dǎo)電的物質(zhì)稱為絕緣體。導(dǎo)體也稱為導(dǎo)電體或良導(dǎo)體，代表性的導(dǎo)體有金、銀、銅、鋁等金屬。絕緣體有聚乙烯、橡膠、硫、玻璃等。
作為物質(zhì)的固有性質(zhì)，導(dǎo)電性用電導(dǎo)率來表示。電導(dǎo)率用符號σ(西格瑪)表示，單位為S/m(西門子/米)。此外，電導(dǎo)率的倒數(shù)1/σ稱為電阻率。電阻率用 ρ (肉)表示，單位為Ω?m(歐姆?米)。電阻率 ρ 是用來表示物質(zhì)導(dǎo)電難易程度的物理量。
在單位橫截面積、單位長度的試樣兩端加上電壓V (伏特)時，若接線柱之間的電流為 I (安培)，有下式成立：V =ρ I ， I =σ V根據(jù)電阻率ρ 的大小，大體可按以下方法將導(dǎo)體和絕緣體分類：導(dǎo)體：ρ <10-6Ω?m， 絕緣體： ρ >107Ω?m另外，電阻率處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體，即半導(dǎo)體： 10-6Ω?m≤ρ ≤107Ω?m半導(dǎo)體的英文為semiconductor，意思是semi(半)+conductor(導(dǎo)體)。半導(dǎo)體分為元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體以及有機(jī)半導(dǎo)體等，(002 )以后將分別說明。表1給出了以電阻率分類的各種物質(zhì)。
● 半導(dǎo)體電阻率的變化范圍是0～1013。
● 半導(dǎo)體有單元素、化合物、氧化物、有機(jī)等許多種類。
表 1 根據(jù)電阻率的物質(zhì)分類
根據(jù)導(dǎo)電難易程度，處于導(dǎo)體和絕緣體之間的為半導(dǎo)體，電阻率為幾μΩ?m～10MΩ?m的半導(dǎo)體可分為元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體4類。
導(dǎo)體中存在許多能夠自由移動的電子，絕緣體中的電子不能自由移動。半導(dǎo)體中同時存在能夠自由移動的電子和不能自由移動的電子。
002 半導(dǎo)體也有很多種①半導(dǎo)體的種類
(001 )中，我們已經(jīng)對半導(dǎo)體是具有導(dǎo)體和絕緣體之間的電導(dǎo)率(或是電阻率)的物質(zhì)進(jìn)行了說明。半導(dǎo)體也是有很多種類的，在這里，我們看一下半導(dǎo)體的種類。
如表1所示，半導(dǎo)體分為無機(jī)半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體，無機(jī)半導(dǎo)體又分為元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體，顧名思義，是由單一元素形成的半導(dǎo)體，包括硅(Si)、鍺(Ge)、碳(C)、碲(Te)等。
化合物半導(dǎo)體是由兩種以上元素組成的化合物形成的半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體根據(jù)構(gòu)成元素的數(shù)量分為二元化合物半導(dǎo)體、三元化合物半導(dǎo)體等。二元化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN) 、磷化銦(InP)、碳化硅(SiC)等。三元化合物半導(dǎo)體，如鋁鎵砷(AlGaAs)等。
氧化物半導(dǎo)體是由某種金屬的氧化物構(gòu)成的半導(dǎo)體，如氧化鋅(ZnO)、銦錫氧化物(ITO)、銦鎵鋅氧化物(IGZO)等。
有機(jī)半導(dǎo)體由有機(jī)材料構(gòu)成，如并四苯、蒽等。
半導(dǎo)體也分為不含雜質(zhì)(導(dǎo)電型雜質(zhì))具有半導(dǎo)體性質(zhì)的本征半導(dǎo)體和摻入一定量雜質(zhì)具有半導(dǎo)體性質(zhì)的雜質(zhì)半導(dǎo)體。
半導(dǎo)體這種物質(zhì)除了電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間以外，根據(jù)物質(zhì)特有形態(tài)(如純度、存在形狀)和環(huán)境(如溫度、壓力、加速度)等的不同，電學(xué)性能也有很大變化。后續(xù)提到的很多電子裝置正是很好地利用了半導(dǎo)體的這些性質(zhì)。
● 半導(dǎo)體分為不含雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體和含有雜質(zhì)的雜質(zhì)半導(dǎo)體。
● 半導(dǎo)體根據(jù)狀態(tài)和環(huán)境的不同，電學(xué)性能也有很大變化。
表 1 半導(dǎo)體的種類半導(dǎo)體分為有機(jī)半導(dǎo)體和無機(jī)半導(dǎo)體。被廣泛應(yīng)用的無機(jī)半導(dǎo)體分為單元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體、氧化物半導(dǎo)體。化合物半導(dǎo)體根據(jù)組成元素所處元素周期表中族和種類、數(shù)目進(jìn)行詳細(xì)劃分。
與這種分類方法不同的還可以將半導(dǎo)體分為不含導(dǎo)電型雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體和含雜質(zhì)的雜質(zhì)半導(dǎo)體003 半導(dǎo)體也有很多種②半導(dǎo)體的驕子――硅(002 )中所述的元素半導(dǎo)體中，目前應(yīng)用最為廣泛的是硅(Si)。硅元素在地殼表面的相對平均含量(克拉克值)為25.8%，僅次于含量為49.5%的氧，位列第二，是極其常見的元素。表1中按由大到小的順序給出了主要元素的克拉克值。
硅是元素周期表第14號元素，屬于ⅠⅤ族。如圖1所示，硅原子由14個質(zhì)子和14個中子組成的原子核及環(huán)繞原子核周圍的14個電子組成，最外層軌道上有4個電子。硅原子在和其他硅原子或者別的原子結(jié)合時，形成4個化學(xué)鍵。相鄰的原子之間共同擁有2個電子，這種結(jié)合稱為共價鍵。
如圖2所示，硅原子與周圍4個硅原子以共價鍵結(jié)合形成規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)，稱為單晶硅。為了便于理解，圖2顯示的是平面結(jié)構(gòu)，實(shí)際上應(yīng)是立體結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)基本上與金剛石的晶體結(jié)構(gòu)相同，稱為金剛石結(jié)構(gòu)。
單晶硅的薄圓板稱為硅片，是制作許多半導(dǎo)體裝置的原材料。
因此硅片也稱為硅基板。
關(guān)于單晶硅和硅片的制作方法，將在第6章中詳細(xì)介紹。表2總結(jié)了硅材料的各種性質(zhì)。硅的各種存在形態(tài)將在(004 )中介紹。
● 半導(dǎo)體的代表性物質(zhì)硅是常見元素。
● 由2個共價電子穩(wěn)定結(jié)合而成的單晶硅。
表 1 克拉克值圖 2 單晶硅的結(jié)構(gòu)模型共價鍵(covalent bond)：兩個硅原子互相拿出最外層的一個電子,原子間通過共有這兩個電子相結(jié)合金剛石結(jié)構(gòu)：由兩個一組的電子穩(wěn)定地結(jié)合而成。
單晶硅具有與金剛石相同的晶體結(jié)構(gòu)圖 1 硅的原子結(jié)構(gòu)表 2 硅的各種性質(zhì)
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