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半導體與集成電路的關系
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半導體是指導電性能介于導體和絕緣體之間的材料。我們知道,電路之所以具有某種功能,主要是因為其內部有電流的各種變化,而之所以形成電流,主要是因為有電子在金屬線路和電子元件之間流動(運動/遷移)。所以,電子在材料中運動的難易程度,決定了其導電性能。常見的金屬材料在常溫下電子就很容易獲得能量發生運動,因此其導電性能好;絕緣體由于其材料本身特性,電子很難獲得導電所需能量,其內部很少電子可以遷移,因此幾乎不導電。而半導體材料的導電特性則介于這兩者之間,并且可以通過摻入雜質來改變其導電性能,人為控制它導電或者不導電以及導電的容易程度。這一點稱之為半導體的可摻雜特性。
前面說過,集成電路的基礎是晶體管,發明了晶體管才有可能創造出集成電路,而晶體管的基礎則是半導體,因此半導體也是集成電路的基礎。半導體之于集成電路,如同土地之于城市。很明顯,山地、丘陵多者不適合建造城市,沙化土壤、石灰巖多的地方也不適合建造城市。“建造”城市需要選一塊好地,“集成”電路也需要一塊合適的基礎材料——就是半導體。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵(化合物),其中應用最廣的、商用化最成功的當推“硅”。
那么半導體,特別是硅,為什么適合制造集成電路呢?有多方面的原因。硅是地殼中最豐富的元素,僅次于氧。自然界中的巖石、砂礫等存在大量硅酸鹽或二氧化硅,這是原料成本方面的原因。硅的可摻雜特性容易控制,容易制造出符合要求的晶體管,這是電路原理方面的原因。硅經過氧化所形成的二氧化硅性能穩定,能夠作為半導體器件中所需的優良的絕緣膜使用,這是器件結構方面的原因。最關鍵的一點還是在于集成電路的平面工藝,硅更容易實施氧化、光刻、擴散等工藝,更方便集成,其性能更容易得到控制。因此后續主要介紹的也是基于硅的集成電路知識,對硅晶體管和集成電路工藝有了解后,會更容易理解這個問題。
除了可摻雜性之外,半導體還具有熱敏性、光敏性、負電阻率溫度、可整流等幾個特性,因此半導體材料除了用于制造大規模集成電路之外,還可以用于功率器件、光電器件、壓力傳感器、熱電制冷等用途;利用微電子的超微細加工技術,還可以制成MEMS(微機械電子系統),應用在電子、醫療領域。

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