半導(dǎo)體是什么？用在芯片的硅是哪種呢？

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是國家重點(diǎn)支持發(fā)展的行業(yè)，也是最關(guān)鍵的“卡脖子”行業(yè)之一，那到底什么是半導(dǎo)體呢？

生活中所有的物體按照導(dǎo)電性大致可分為三類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。

這個(gè)很好理解，物體要么導(dǎo)電，要么不導(dǎo)電，要么有一點(diǎn)點(diǎn)導(dǎo)電，正是這種半推半就、不清不楚的物質(zhì)給物理學(xué)家不同的發(fā)揮空間。

按照導(dǎo)電性便分為：

絕緣體： 電導(dǎo)率很低，約介于20－18S/cm～10－8S/cm,如熔融石英及玻璃；

導(dǎo) 體：電導(dǎo)率較高，介于104S/cm～106S/cm，如鋁、銀等金屬。

半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。

半導(dǎo)體是通常由硅組成的材料產(chǎn)品，其導(dǎo)電性比玻璃之類的絕緣體高，但比銅或鋁之類的純導(dǎo)體導(dǎo)電性低?？梢酝ㄟ^引入雜質(zhì)（稱為摻雜）來改變其導(dǎo)電性和其他性能，以滿足其所駐留的電子組件的特定需求。半導(dǎo)體也被稱為半導(dǎo)體或芯片，它可以在數(shù)千種產(chǎn)品中找到，例如計(jì)算機(jī)，智能手機(jī)，設(shè)備，游戲硬件和醫(yī)療設(shè)備。

如果從材料的角度來講，半導(dǎo)體顧名思義，就是指材料在常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。通過對半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工可以形成集成電路，將集成電路進(jìn)行封裝測試形成芯片。

通常大家所說的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是指將半導(dǎo)體材料加工成芯片的這條產(chǎn)業(yè)鏈，而非僅僅指半導(dǎo)體這種材料。

一、半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，按化學(xué)成分劃分，半導(dǎo)體可以分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。

元素半導(dǎo)體材料是指由單體元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，包括鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。上世紀(jì)50年代，鍺占主導(dǎo)地位，但鍺半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被硅材料取代。

化合物半導(dǎo)體多指晶態(tài)無機(jī)化合物半導(dǎo)體，即是指由兩種或兩種以上元素以確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)，包括砷化鎵、氮化鎵、碳化硅等。

圖1：物體的導(dǎo)電性

圖片來源：Encyclopedia Britannica, inc.

二、用在芯片的硅是哪種呢？

理論上來說，所有半導(dǎo)體都可以作為芯片材料，但是硅材料為什么最適合做芯片，主要原因有下：

（1）按地球元素含量排行，依次為：氧＞硅＞鋁＞鐵＞鈣＞鈉＞鉀……可以看到硅排在了第二位，含量巨大，這也讓芯片有了幾乎取之不盡用之不竭的原材料；

（2）硅元素化學(xué)性質(zhì)和物質(zhì)性質(zhì)都十分穩(wěn)定，最早的晶體管其實(shí)是使用半導(dǎo)體材料鍺來制作的，但是因?yàn)闇囟瘸^75℃時(shí)，導(dǎo)電率會出現(xiàn)較大變化，做成PN結(jié)后鍺的反向漏電流比硅大，因此選取硅元素作為芯片材料更加合適；

（3）硅材料本身無毒無害，這也是其被選于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

：多晶硅

：單晶硅

按晶體類型來劃分，硅具有晶態(tài)硅和無定形硅兩種同素異形體。晶態(tài)硅又分為單晶硅和多晶硅，單晶硅和多晶硅的區(qū)別是，當(dāng)熔融的單質(zhì)硅凝固時(shí)，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，元器件商城，上唯樣，則形成單晶硅，如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶硅。多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料，而單晶硅是生產(chǎn)芯片的主要原材料。

三、單晶硅的主要生產(chǎn)流程

根據(jù)生產(chǎn)方式不同，可分為區(qū)熔單晶硅和直拉單晶硅。區(qū)熔單晶硅是利用懸浮區(qū)域熔煉的方法來制備單晶硅。直拉單晶硅是利用切氏法制備單晶硅。

兩種單晶硅具有不同的特性和應(yīng)用領(lǐng)域：區(qū)熔單晶硅主要應(yīng)用于大功率器件方面，只占單晶硅市場很小一部分；直拉單晶硅主要應(yīng)用于微電子集成電路等芯片領(lǐng)域。我們接下來主要介紹的也是直拉單晶硅的主要制造流程：

：硅石

圖5：直拉單晶硅制作流程

圖片來源：John Wiley & Sons, Inc

通過鎂還原二氧化硅或炭燒灼還原二氧化硅，得到多晶硅。將多晶硅熔化，按特定方法旋轉(zhuǎn)提拉，就可以得到原子排列整齊的單晶硅。圖5中的藍(lán)色的圓棒就是單晶硅，在提拉的過程中一邊旋轉(zhuǎn)一邊向上拔，提拉法長出來的晶錠就是大家常見的單晶硅圓柱體。