【什么是高博最新网址】

高博最新网址（ Semiconductor），指常温下导电性能介于导体（Conductor）与绝缘体（Insulator）之间的材料。其导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料，可作为信息处理的元件材料。常见的高博最新网址有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种高博最新网址中，在商业应用上最常见且最具有影响力的一种。从科技或是经济发展的角度来看，高博最新网址非常重要，很多电子产品，如计算机、手机、智能终端，汽车等的核心控制单元都是利用高博最新网址的电导率变化来处理信息。

绝缘体：电导率较低，约介于20－18S/cm～10－8S/cm, 如熔融石英及玻璃。

导 体： 电导率较高，介于104S/cm～106S/cm，如铝、银等金属。

高博最新网址：电导率则介于绝缘体及导体之间。

最常见的高博最新网址，就是地表含量最多的硅(Si)，硅原子本身具有四个价电子，分别位在sp3的四个轨域中，由于每个轨域需拥有2个电子，以形成八隅体的稳定状态，正好在纯硅中，每个硅原子都与四个硅原子相邻，并且与这四个外围硅原子共享轨域，形成硅原子间的共价结构，如图所示，此种共价结果相当稳定，不存在自由电子，也因此纯硅的导电性极差。

绝缘体：电导率较低，约介于20－18S/cm～10－8S/cm, 如熔融石英及玻璃。

导 体： 电导率较高，介于104S/cm～106S/cm，如铝、银等金属。

高博最新网址：电导率则介于绝缘体及导体之间。

最常见的高博最新网址，就是地表含量最多的硅(Si)，硅原子本身具有四个价电子，分别位在sp3的四个轨域中，由于每个轨域需拥有2个电子，以形成八隅体的稳定状态，正好在纯硅中，每个硅原子都与四个硅原子相邻，并且与这四个外围硅原子共享轨域，形成硅原子间的共价结构，如图所示，此种共价结果相当稳定，不存在自由电子，也因此纯硅的导电性极差。

【硅原子结构】

但是，如果我们在纯硅中掺入少许的砷(As)或磷(P)，每个砷或磷原子会取代某个硅原子，仍与四个硅原子相邻，需要四个电子以形成四个共价键，由于砷或磷原子的最外层有五个电子，却只与硅共享四个电子，因而多出了一个可自由活动的电子，也就是自由电子，这种架构就是所谓的n型高博最新网址，

 掺砷或磷,多出自由电子

如下图所示。如果我们在纯硅中掺入少许的硼(B)，就反而少了一个电子，而形成一个电洞，这样就形成p型高博最新网址，此时若在硅晶两端加电压，就能使电子产生自由移动而显著地增加其导电性。

掺硼,形成电子空穴

【分类】

高博最新网址很多，按化学成分可分为元素高博最新网址和化合物高博最新网址两大类。

锗（Ge）和硅（Si）是最常用的元素高博最新网址；元素高博最新网址是指由单体元素构成的高博最新网址，包括锗、硅、硒、硼、碲、锑等。上世纪50年代，锗占主导地位，由于锗的开采成本高、储量低和性能不如硅，锗高博最新网址器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代，目前主要以硅基和化合物材料共生共存的高博最新网址格局。

化合物高博最新网址主要是由两种或两种以上元素构成的，主要有砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等。此类化合物高博最新网址的优点有高电子迁移率、高频率、宽幅频宽、高线性度、高功率、材料多元性以及抗辐射等。

砷化镓（GaAs）：主要运用于通讯领域，受益于通信射频中的功率放大器（PA），GaAs微波射频器件（射频芯片、基带芯片）越来越广泛应用于移动手机、无线局域网络、光纤通讯、卫星通讯、卫星定位、GPS 汽车导航等领域，市场占有率最高；

氮化镓（GaN）：大功率、高频性能更加出色，主要运用于军事、汽车、新能源等领域；

碳化硅（SiC）：则主要运用于汽车及工业电力电子领域，在大功率转换应用中优势明显。

随着现代科学与技术的发展，硅材料在高博最新网址制作上逐渐趋向物理极限，已经无法满足一些超高规格电子产品对高功率，高频率和高压等苛刻条件。因此，可以通过以硅材料为衬底，化合物材料在硅材料外延生长制成单晶片，也能满足射频芯片、功率器件对高频、高压、高功率的需求，在一定程度上缓解了硅材料性质的劣势。

但是要满足90%以上基础需求，硅基高博最新网址有着更大的应用领域。硅基高博最新网址主要运用于逻辑器件、存储器、分立器件（功率二极管、三极管、晶闸管）等。主要用于AI、手机、IOT、5G通信领域。

一、高博最新网址产品的类别应该怎么去区分呢？
按照国际通行的高博最新网址产品标准方式进行分类，高博最新网址可以分为四类：集成电路，分立器件，传感器和光电子器件，这四类可以统称为高博最新网址元件

高博最新网址的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电高博最新网址、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。

以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。

按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

二、为什么硅材料会被用在芯片材料呢？

理论上来说，所有高博最新网址都可以作为芯片材料，但是硅材料为什么最适合做芯片，主要原因有下：

（1）按地球元素含量排行，依次为：氧＞硅＞铝＞铁＞钙＞钠＞钾……可以看到硅排在了第二位，含量巨大，硅元素（石英砂）在地壳中占到27.7%，降低高博最新网址的材料成本，这也让芯片有了几乎取之不尽用之不竭的原材料；

（2）硅元素化学性质和物质性质都十分稳定，最早的晶体管其实是使用高博最新网址锗来制作的，但是因为温度超过75℃时，导电率会出现较大变化，做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，因此选取硅元素作为芯片材料更加合适；

（3）硅材料本身无毒无害，对环境无害，算是清洁能源。其实提纯对环境污染也挺严重的，这也是其被选于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

（4）天然绝缘体，可通过加热形成二氧化硅绝缘层，防止高博最新网址漏电现象，因此在晶圆制造时减去表面沉积多层绝缘体步骤，降低晶圆制造生产成本。

（5）制作工艺成熟，以硅材料制作的高博最新网址硅片技术发展，从1970年的2英寸硅片进步至2020年的18英寸硅片。经过长时间的发展，与其他高博最新网址相比较，硅材料的应用技术更加成熟且更具有规模效益，在这样的条件下，硅材料显得“物美价廉”，这样的特质给予了硅材料不可替代的行业地位。

【晶圆制造原理】（参考书籍：《高博最新网址故事》[英] 约翰·奥顿 著，姬扬 译）

第一步：粗炼Si，用焦炭和石英砂在高温电弧炉中反应，得到纯度不高的Si。

方程式：SiO2+C→Si+CO2

第二步：用HCl精炼Si，利用CuCl作为催化剂，把Si转化为SiHCl3（纯度7个9），再通入H2通过化学气相沉积法把SiHCl3转化回Si（纯度9个9）。

方程式：Si+HCl→SiHCl3+H2；SiHCl3+H2→Si+HCl

这里的Si是多晶硅，多晶硅存在晶格失配和位错，会导致原子未排列在正确的位置上，在晶界存在电荷，这就会产生能带弯曲。那么，自由电子和空穴在传输过程中就会被散射，大大降低了自由载流子的迁移率。这也是这一步中得到的Si不能投入使用的原因之一。

第三步：Si提纯是提拉法（如图），把熔化Si的放在石墨坩埚里面，使用感应法加热（热电偶），之后又放在石英容器里，通过纯氢气体作为清洁氛围。再把作为种子的籽晶放在垂直棒的前端，再放入熔化的Si里面。因为籽晶表面会吸附熔化物，在垂直棒不断缓慢旋转和提拉的过程中（大约是每个小时提拉10cm），可以长出直径比籽晶大得多的体材料晶体。这就是俗称的提拉法。提拉法的巧妙之处之一是，通过轴的旋转控制了温度和几何构性的不均匀性带来的影响，使得Si不仅有极高的纯度，还有良好的单晶性。

提拉法示意图

第四步：切割单晶硅圆柱能得到片状单晶硅晶圆。像集成电路需要的高纯Si就是Si晶圆，从而构成了制造芯片的地基。