【什么是半導(dǎo)體】
半導(dǎo)體（ Semiconductor），指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體（Conductor）與絕緣體（Insulator）之間的材料。其導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料，可作為信息處理的元件材料。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導(dǎo)體材料中，在商業(yè)應(yīng)用上最常見(jiàn)且最具有影響力的一種。從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體非常重要，很多電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、手機(jī)、智能終端，汽車(chē)等的核心控制單元都是利用半導(dǎo)體的電導(dǎo)率變化來(lái)處理信息。
絕緣體：電導(dǎo)率較低，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。
最常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料，就是地表含量最多的硅(Si)，硅原子本身具有四個(gè)價(jià)電子，分別位在sp3的四個(gè)軌域中，由于每個(gè)軌域需擁有2個(gè)電子，以形成八隅體的穩(wěn)定狀態(tài)，正好在純硅中，每個(gè)硅原子都與四個(gè)硅原子相鄰，并且與這四個(gè)外圍硅原子共享軌域，形成硅原子間的共價(jià)結(jié)構(gòu)，如圖所示，此種共價(jià)結(jié)果相當(dāng)穩(wěn)定，不存在自由電子，也因此純硅的導(dǎo)電性極差。
絕緣體：電導(dǎo)率較低，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。
最常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料，就是地表含量最多的硅(Si)，硅原子本身具有四個(gè)價(jià)電子，分別位在sp3的四個(gè)軌域中，由于每個(gè)軌域需擁有2個(gè)電子，以形成八隅體的穩(wěn)定狀態(tài)，正好在純硅中，每個(gè)硅原子都與四個(gè)硅原子相鄰，并且與這四個(gè)外圍硅原子共享軌域，形成硅原子間的共價(jià)結(jié)構(gòu)，如圖所示，此種共價(jià)結(jié)果相當(dāng)穩(wěn)定，不存在自由電子，也因此純硅的導(dǎo)電性極差。
【硅原子結(jié)構(gòu)】
但是，如果我們?cè)诩児柚袚饺肷僭S的砷(As)或磷(P)，每個(gè)砷或磷原子會(huì)取代某個(gè)硅原子，仍與四個(gè)硅原子相鄰，需要四個(gè)電子以形成四個(gè)共價(jià)鍵，由于砷或磷原子的最外層有五個(gè)電子，卻只與硅共享四個(gè)電子，因而多出了一個(gè)可自由活動(dòng)的電子，也就是自由電子，這種架構(gòu)就是所謂的n型半導(dǎo)體，
摻砷或磷,多出自由電子
如下圖所示。如果我們?cè)诩児柚袚饺肷僭S的硼(B)，就反而少了一個(gè)電子，而形成一個(gè)電洞，這樣就形成p型半導(dǎo)體，此時(shí)若在硅晶兩端加電壓，就能使電子產(chǎn)生自由移動(dòng)而顯著地增加其導(dǎo)電性。
摻硼,形成電子空穴
【分類(lèi)】
半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類(lèi)。
鍺（Ge）和硅（Si）是最常用的元素半導(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，由于鍺的開(kāi)采成本高、儲(chǔ)量低和性能不如硅，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，目前主要以硅基和化合物材料共生共存的半導(dǎo)體材料格局。
化合物半導(dǎo)體材料主要是由兩種或兩種以上元素構(gòu)成的，主要有砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等。此類(lèi)化合物半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)有高電子遷移率、高頻率、寬幅頻寬、高線性度、高功率、材料多元性以及抗輻射等。
砷化鎵（GaAs）：主要運(yùn)用于通訊領(lǐng)域，受益于通信射頻中的功率放大器（PA），GaAs微波射頻器件（射頻芯片、基帶芯片）越來(lái)越廣泛應(yīng)用于移動(dòng)手機(jī)、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)、光纖通訊、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星定位、GPS 汽車(chē)導(dǎo)航等領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率最高；
氮化鎵（GaN）：大功率、高頻性能更加出色，主要運(yùn)用于軍事、汽車(chē)、新能源等領(lǐng)域；
碳化硅（SiC）：則主要運(yùn)用于汽車(chē)及工業(yè)電力電子領(lǐng)域，在大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。
隨著現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，硅材料在半導(dǎo)體制作上逐漸趨向物理極限，已經(jīng)無(wú)法滿足一些超高規(guī)格電子產(chǎn)品對(duì)高功率，高頻率和高壓等苛刻條件。因此，可以通過(guò)以硅材料為襯底，化合物材料在硅材料外延生長(zhǎng)制成單晶片，也能滿足射頻芯片、功率器件對(duì)高頻、高壓、高功率的需求，在一定程度上緩解了硅材料性質(zhì)的劣勢(shì)。
但是要滿足90%以上基礎(chǔ)需求，硅基半導(dǎo)體有著更大的應(yīng)用領(lǐng)域。硅基半導(dǎo)體主要運(yùn)用于邏輯器件、存儲(chǔ)器、分立器件（功率二極管、三極管、晶閘管）等。主要用于AI、手機(jī)、IOT、5G通信領(lǐng)域。
一、半導(dǎo)體產(chǎn)品的類(lèi)別應(yīng)該怎么去區(qū)分呢？
按照國(guó)際通行的半導(dǎo)體產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行分類(lèi)，半導(dǎo)體可以分為四類(lèi)：集成電路，分立器件，傳感器和光電子器件，這四類(lèi)可以統(tǒng)稱(chēng)為半導(dǎo)體元件
半導(dǎo)體的分類(lèi)，按照其制造技術(shù)可以分為：集成電路器件，分立器件、光電半導(dǎo)體、邏輯IC、模擬IC、儲(chǔ)存器等大類(lèi)，一般來(lái)說(shuō)這些還會(huì)被分成小類(lèi)。
以應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行分類(lèi)，雖然不常用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規(guī)模進(jìn)行分類(lèi)的方法。
按照其所處理的信號(hào)，可以分成模擬、數(shù)字、模擬數(shù)字混成及功能進(jìn)行分類(lèi)的方法。
二、為什么硅材料會(huì)被用在芯片材料呢？
理論上來(lái)說(shuō)，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，硅元素（石英砂）在地殼中占到27.7%，降低半導(dǎo)體的材料成本，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(lái)制作的，但是因?yàn)闇囟瘸^(guò)75℃時(shí)，導(dǎo)電率會(huì)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(wú)毒無(wú)害，對(duì)環(huán)境無(wú)害，算是清潔能源。其實(shí)提純對(duì)環(huán)境污染也挺嚴(yán)重的，這也是其被選于用作芯片的制造材料的重要原因之一。
（4）天然絕緣體，可通過(guò)加熱形成二氧化硅絕緣層，防止半導(dǎo)體漏電現(xiàn)象，因此在晶圓制造時(shí)減去表面沉積多層絕緣體步驟，降低晶圓制造生產(chǎn)成本。
（5）制作工藝成熟，以硅材料制作的半導(dǎo)體硅片技術(shù)發(fā)展，從1970年的2英寸硅片進(jìn)步至2020年的18英寸硅片。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，與其他半導(dǎo)體材料相比較，硅材料的應(yīng)用技術(shù)更加成熟且更具有規(guī)模效益，在這樣的條件下，硅材料顯得“物美價(jià)廉”，這樣的特質(zhì)給予了硅材料不可替代的行業(yè)地位。
【晶圓制造原理】（參考書(shū)籍：《半導(dǎo)體故事》[英] 約翰·奧頓 著，姬揚(yáng) 譯）
第一步：粗煉Si，用焦炭和石英砂在高溫電弧爐中反應(yīng)，得到純度不高的Si。
方程式：SiO2+C→Si+CO2
第二步：用HCl精煉Si，利用CuCl作為催化劑，把Si轉(zhuǎn)化為SiHCl3（純度7個(gè)9），再通入H2通過(guò)化學(xué)氣相沉積法把SiHCl3轉(zhuǎn)化回Si（純度9個(gè)9）。
方程式：Si+HCl→SiHCl3+H2；SiHCl3+H2→Si+HCl
這里的Si是多晶硅，多晶硅存在晶格失配和位錯(cuò)，會(huì)導(dǎo)致原子未排列在正確的位置上，在晶界存在電荷，這就會(huì)產(chǎn)生能帶彎曲。那么，自由電子和空穴在傳輸過(guò)程中就會(huì)被散射，大大降低了自由載流子的遷移率。這也是這一步中得到的Si不能投入使用的原因之一。
第三步：Si提純是提拉法（如圖），把熔化Si的放在石墨坩堝里面，使用感應(yīng)法加熱（熱電偶），之后又放在石英容器里，通過(guò)純氫氣體作為清潔氛圍。再把作為種子的籽晶放在垂直棒的前端，再放入熔化的Si里面。因?yàn)樽丫П砻鏁?huì)吸附熔化物，在垂直棒不斷緩慢旋轉(zhuǎn)和提拉的過(guò)程中（大約是每個(gè)小時(shí)提拉10cm），可以長(zhǎng)出直徑比籽晶大得多的體材料晶體。這就是俗稱(chēng)的提拉法。提拉法的巧妙之處之一是，通過(guò)軸的旋轉(zhuǎn)控制了溫度和幾何構(gòu)性的不均勻性帶來(lái)的影響，使得Si不僅有極高的純度，還有良好的單晶性。
提拉法示意圖
第四步：切割單晶硅圓柱能得到片狀單晶硅晶圓。像集成電路需要的高純Si就是Si晶圓，從而構(gòu)成了制造芯片的地基。
