什么是半导体？一些东西——来自基本材料电路、系统

当再次问“什么是半导体？”时，答案实际上是半导体。换句话说，半导体是介于导体（例如导电良好的金属）和绝缘体（例如不导电的玻璃）之间的物质。但有什么意义呢？就变成了。让我们更多地解释一下使用中间属性可以做什么。

p输入并n电流可由模具控制

人们认为半导体的这种特性可以起到开关的作用，有时允许电流流动，有时停止电流。例如，查看元素周期表（图1），如果将作为半导体的四价硅（Si）与磷（P）和砷（As）等五价物质混合，就会产生大量电子，并且可以很好地导电。n型半导体。另一方面，当硅与硼（B）或镓（Ga）等三价物质混合时，它也具有良好的导电性，但充满了空穴（电子壳层）。p型半导体。n类型，p由于这两种类型都导电，因此可以说它们接近于导体。电子具有负性，空穴具有正性。

这些p输入并n战前的科学家认为，通过正确组合模式，可以通过让电流大量流动、少量流动或突然停止来调节电流。和p输入并n一旦模具连接在一起（称为 p-n 结），p施加正电压时，电流流动，而当设置为零或负电压时，没有电流流动。换句话说，通过创建 pn 结，您可以阻止或允许电流流动。

硅是由沙子制成的

半导体材料p类型，n如果我们将其改为一种称为霉菌的物质，似乎我们可以控制电流。由此得出的结论是，最好使用四价元素作为半导体材料。使四价元素难以形成正离子或负离子的共价键^*1的材料过去，四价锗（Ge）被用作半导体材料。但它能保持半导体特性的温度较低，只能在60摄氏度左右的温度下使用。这就是硅（Si）出现的地方。就硅而言，即使在 150 度的温度下其特性也不会改变。换句话说，它可以经受住实际使用。

沙子（氧化硅）中原本就含有大量硅（图2），因此无需担心资源枯竭。实际上，硅是通过减少沙子制成的，但除非晶体取向相同，否则它不会成为单晶。因此，简单还原仅产生多晶材料，其中许多小晶体沿不同方向取向。因此，单晶硅是通过将多晶硅在坩埚中加热到1000度以上使其熔化，然后缓慢冷却并沿一个方向再结晶而生产的。

然而，这并不意味着半导体材料中只能使用四价元素。如果将三价和五价元素以一比一的比例混合，并将它们结合形成四价元素，最终就会得到半导体。将三价 Ga（镓）和五价 As（砷）结合起来可形成用于高频放大器和振荡器的 GaAs 半导体。同样，当Ga和N（氮）结合时，就成为GaN半导体，这是LED的材料。在光通信中，还有InP（磷化铟）和更复杂的AlGaP和AlGaAs等组合。然而，存在很多问题，稍后将对此进行解释。

晶体管因添加控制端而诞生

p输入并n电流确实可以通过模具控制，但是p输入并n单独使用类型半导体很麻烦，因为您必须改变电流的方向才能使其流动或停止。那么，是否可以通过简单地通电或不通电而不改变通电方向来使电流停止或流动呢？考虑到这一点而创建的设备是晶体管。

p输入并n输入并p排列类型以创建 pnp 结构（图 3 左）n根据条件，使模具部分尽可能薄、薄。p另一种类型p也许电流流入模具。点接触晶体管就是从这个想法中诞生的。 AT&T（美国）贝尔电话实验室的三名研究人员中，当领导者肖克利先生出差时，他的两名下属巴丁先生和布拉滕先生发现了晶体管的运作，即开关和电流放大。

更多n类型（收集器），p类型（基础），n模具（发射器）被粘合（图3右），这导致了实际应用。正是他的老板肖克利先生提出并发明了这种结型晶体管。当他不在的时候，他的一个下属首先发现了晶体管的操作，他非常沮丧，于是发明了一种将其工业化的方法。

然而，第一个晶体管具有pnp结构，但npn具有更好的性能。晶体管的工作原理如下。即使向发射极施加零伏 (V) 并向集电极施加正电压，如果基极电压为零，则不会有电流从集电极流向发射极。然而，当基极施加正电压时，电流流过pn结（基极和发射极之间），电流被放大并从集电极流向发射极。换言之，由于仅当向基极施加小电压(07V以上)时电流才流动，因此可以仅使用基极电压来停止或允许流过晶体管的电流流动。

双极至 MOS

从历史上看，半导体行业始于称为 PNP 和 NPN 的双极晶体管。此外，随着我​​们从单个晶体管发展到在单个芯片上集成多个晶体管的集成电路，双极晶体管最终变为MOS晶体管。这是因为 MOS 晶体管需要更少的面积来从表面引出三个端子。换句话说，MOS晶体管可以很容易地在很小的面积内集成许多晶体管。

一旦创建了单个晶体管，就可以将它们组合起来在硅上形成电路。更容易集成尽可能多的晶体管对电路有很多好处。

此外，随着晶体管的诞生，GaAs和InP等化合物半导体的开发也变得活跃。特别是，硅不发光（更准确地说，它的光很弱），因此GaAs和InP等半导体已在激光器和LED（发光二极管）中得到实际应用。 20世纪70年代和80年代，通过在通信设备中使用激光器和光纤，可以在数十公里范围内无重复地发送光信号，并在全世界范围内用作从基站到基站的通信主干线。现在，世界已通过海洋通过光纤连接起来，通过互联网与美国和欧洲进行通信已成为可能，不会遇到任何延迟或压力。

半导体主流仍是硅

然而，化合物半导体从未成为主流半导体。即使现在，我们仍然看到媒体将 SiC 和 GaN 描述为下一代半导体，但这是不正确的。即使在下一代，硅也将成为主流。 SiC、GaN、Ga2O₃等化合物半导体的介电强度是硅的十倍，因此被用于功率晶体管和二极管，但无法成为硅的主流替代品。这是因为成本高。 SiC比硅贵10倍，并且有很多晶体缺陷。对于光学器件和功率半导体以外的应用几乎没有什么好处。

还有其他类似的例子。十年前，将在汽车中大量使用的雷达高频半导体是使用GaAs材料生产的，但成本高昂，并未普及。虽然随着SiGe半导体的发展，它变得便宜了一些，但它仍然很昂贵。最终，使用硅 CMOS 技术制造它成为可能，从而降低了成本并使其更受欢迎。换句话说，砷化镓被硅取代了。旧IC也是如此。笔者采访了位于加州的Vitesse Semiconductor（美国），该公司是第一个将GaAs IC商业化的公司，但目前已经放弃GaAs IC，转而生产硅基高速CMOS网络IC。当我问该公司首席执行官原因时，他回答说：“我们退出了 GaAs，因为在 025 µm 工艺之后，我们在性能方面输给了硅 CMOS。”

为什么硅以外的半导体价格昂贵？硅是一种由一种元素组成的简单半导体。然而，化合物半导体是通过将不同元素强制键合在一起以使它们变成四价而制成的。而且，由于每个元素具有不同的属性，调整并不容易。例如，即使Ga和As以相同的摩尔数和原子量熔化并混合，它们的蒸气压也不同，因此只有As倾向于蒸发，并且当回到室温时，其比例往往不是1:1。因此，通过改变各个部件来调节蒸汽压力不可避免地使生产过程复杂化并增加成本。目前备受关注的SiC即使在高温下也不会变成液体，因此无法使用坩埚。制造它的唯一方法是使用一种称为升华的特殊方法，该方法在高温下将其从固体转变为气体，导致生产率低下。行业内众所周知，特殊的制造方法成本高昂。换句话说，它在成本上无法与硅竞争。

以及集成电路

硅集成电路 (IC) 最初是双极型，但逐渐转向 MOS 型，然后是 CMOS 型。这是因为 IC 很容易与数字化兼容。例如，无论是1个MOS晶体管还是10个MOS晶体管集成在硅上，面积都不会增加那么多。最近最先进的芯片在约200平方米的表面上集成了多达100亿个芯片。这是因为每个晶体管通过小型化变得越来越小。

此外，在数字电路中，晶体管起着开关的作用，因为1和0可以通过对应电流流过（ON）或不流过（OFF）来表示。芯片的集成度通常用晶体管的数量来表示，这意味着它可以代表多达100亿个1和0。

数字集成电路过去由双极TTL（晶体管-晶体管逻辑）电路组成，但电阻负载n通道 MOS 类型，p改为沟道MOS型等。但是，1和0状态下都有少量电流流动。而且，性能并没有那么快。因此，ECL（发射极耦合逻辑）成为高速计算机系统中使用的主流基本逻辑电路。这种逻辑电路速度很高，但由于它不断传导电流，因此会像功率晶体管一样产生热量，需要散热片，因此热设计是计算机设计的首要重点。

CMOS主流不会崩溃

并且开始使用CMOS逻辑电路代替ECL。 CMOS逻辑电路如图7所示p通道MOS晶体管（顶部）和n它具有通道晶体管（底部）串联的结构，但该技术的优点是，无论栅极电压是零伏（0）还是Vdd电压（1），都没有从Vdd流向地的直通电流。换句话说，无论是 1 状态还是 0 状态，都没有电流流动。

请看图7。当栅极电压Vin为零时（图7：Vin=0），由于来自Vdd的电压，电流为p流经沟道MOS，Vout的电压与Vdd相同。底部n这是因为通道 MOS 晶体管保持截止状态。如果我们在此将电压 Vdd 施加到 Vin（图 7：Vin=1），则较低n通道MOS导通，上部pMOS变为截止状态，没有电流流动，Vout变为0伏。因此，无论是1还是0，都不会流过直通电流。

在非 CMOS 逻辑电路中，即使电流为 1 或 0 或两者时，电流也总是流动。由于CMOS在任何状态下都没有电流流动，因此电流消耗极低。

但是，当从1切换到0或从0切换到1时，直通电流会瞬间流过CMOS。因此，开关电路的频率（频率）越高，直通电流增加得越多。这就是为什么CMOS电路在工作期间每次时钟频率增加时电流消耗都会增加的原因。在大规模CMOS LSI中，通过将频率降低到必要的最低限度来降低功耗。

目前，几乎所有LSI都采用CMOS逻辑电路，甚至DRAM存储器也将CMOS技术用于存储单元以外的电路。集成到微处理器中的基本 SRAM 电路以及 CMOS 触发器^*2使用基本电路。

在如此大规模的LSI中，硅CMOS技术是主流，很少使用硅以外的其他半导体材料。这是因为成本问题和制造工艺，允许使用适合硅的大直径300mm晶圆。光半导体以外的化合物半导体，如LED和激光二极管，无法在300mm晶圆上生产，在成本上无法竞争。

最终，光学半导体以外的化合物半导体仅用于硅难以实现的应用。一个典型的例子是SiC功率半导体。虽然其成本是硅的数倍至10倍，但由于其可以在高频下工作，允许外围无源元件做得更小，并且比硅IGBT（绝缘栅双极晶体管）损耗更小，因此逐渐开始用于电动汽车（EV）车载充电器和电动汽车快速充电设备。

MPU和内存的发明

迄今为止在半导体硅领域，诺贝尔奖都是颁发给晶体管和IC的发明，但在我看来，对工业影响最大的发明是微处理器和存储器的发明。 1971年，据说订购了这款计算器的三人是英特尔（美国）公司的费德里科·法金（Federico Faggin）和特德·霍夫（Ted Hoff），以及商业计算机公司的Masatoshi Shima。

英特尔开始设计 IC 是为了满足计算器的订单，但他们认为，如果他们制造了基于计算机的计算器，他们可以根据其他公司的要求通过更改软件来定制它，而不是必须为每个公司重新设计每个计算器。因此，他们创造了4位微处理器和1K位存储器（RAM）。

起初，计算机工程师认为这些 IC 只不过是“玩具”。然而，英特尔后来完善了4位到8位微处理器，甚至使用摩托罗拉（美国）和Zilog（美国）等公司的芯片制造了个人电脑（当时称为爱好电脑）。此外，当16位和32位处理器推出时，以前使用门阵列制造CPU的美国计算机工程师不再制造自己的CPU板，因为他们认为购买商用CPU芯片会更容易。

半导体CPU成为主流

当时的计算机除了通用大型主机外，开始使用商用CPU用于小型机、办公计算机和工作站，这使得大幅降低成本成为可能。当然，之后我就使用了市售的CPU。结果，裁员运动加速了。缩小规模是由于以下原因。大型机是超大型计算机，个人使用和运行实际程序的时间有限，通常需要等待三到四天。因此，科学计算和模拟工程师更喜欢工作站而不是大型机作为即用型计算机，即使它们的性能稍慢一些。随着计算机用户数量的增加，小型机和工作站而不是大型机的市场不断扩大。最终的结果是个人电脑，或者说个人计算机。

由于 MPU（微处理器）的进步，计算机系统提高了性能并降低了功耗。这还不是全部。它开始以嵌入式系统和微控制器的形式进入各种电子设备。

嵌入式系统是指不是计算机的设备，尽管它们基本上使用与计算机相同的CPU、内存（ROM/RAM）、外围电路、接口等（图9）。移动电话和智能手机曾经是嵌入式系统家族的一部分，但现在它们也被称为移动计算机。

如今，大多数电子设备都是嵌入式系统。事实上，找到不具备这种功能的设备会更加困难。即使是简单的电子电路也可以通过对微控制器的软件进行编程来简单地实现。例如，圣诞节照明中使用的 LED 闪烁电路现在使用廉价的微控制器来选择闪烁模式，而不是使用触发器构建电路。电热水壶中还采用了微电脑，可对最佳加热程度进行编程，以实现米饭的美味。

将软件和安全性融入芯片

半导体为计算机系统的扩展和嵌入式系统的普及做出了巨大贡献，但这些技术也开始渗透到半导体设计本身。软件定义无线电 (SDR) 就是一个例子。调制解调器不是通过改变无线电路（硬连线）所需的调制/解调电路（调制解调器）中晶体管的组合来为每个客户定制 IC，而是使用软件创建调制解调器，并将软件存储在存储器中，使其与任何标准兼容。

每个国家的广播和电视广播方式不同，但只需更改软件，SDR芯片就可以与每个国家的调制解调器兼容。例如，在欧洲，每个国家都有自己的无线电波，因此每个国家的调制解调器规格都不同，但通过利用半导体 IC 实施 SDR 技术，现在可以在每个国家开车时收听数字广播。

半导体现在不仅包括软件，还包括安全性。迄今为止，计算机安全性检查都是使用操作系统等软件进行的，但现在是使用 IC 芯片来完成的。此外，仅接受来自预先注册源的信号的认证电路也使用半导体来实现。

如果攻击者可以绕过身份验证，请确保即使他们试图窃取数据也无法读取数据。加密技术也是利用IC来实现的。解密代码的密钥存储在需要单独身份验证的安全存储区域中。如果使用称为半导体 IC 的硬件来锁定系统，则用于保护系统的加密将变得更加安全。

半导体现在是大脑

当我这样谈论它时，我意识到半导体不再只是一种物质或材料的术语，而是已经转变为一个系统。半导体现在指的是IC而不是半导体材料，IC已经从简单的电子电路扩展到与计算机运行方式相同的嵌入式系统。 IC 也称为半导体或硅。

IC相当于CPU和内存的大脑，其发明目的是为了进入所有电子设备并对其进行智能控制。换句话说，它将成为未来智能技术不可或缺的一部分。要实现智慧城市、智能建筑、智能办公室、智能家居等，必须将大脑与传感器（眼睛、耳朵、触觉等）结合起来。甚至软件也将被整合到半导体中。人们正在努力让半导体更接近大脑，除了传统计算的左脑之外，技术正在进步以形成称为人工智能的右脑。正如大脑永远不会停止一样，半导体的发展至少在未来几十年内也不会停止。

作家

津田健二（津田健二）

国际科技记者和技术分析师。

目前是英语和日语的自由科技记者。

利用他 30 年半导体行业报道的经验，他通过博客 (newsandchipscom) 和分析文章向半导体行业提供各种建议。在担任 Semicon Portal (wwwsemiconportalcom) 主编的同时，他还担任 MyNavi 新闻系列“汽车电子”的专栏作家。

从事半导体器件的开发工作后，他在 Nikkei McGraw-Hill（现为 Nikkei BP）担任 Nikkei Electronics 的记者。此后，他陆续出版了《Nikkei Microdevices》、英文杂志《Nikkei Electronics Asia》、《Electronic Business Japan》、《Design News Japan》、《Semiconductor International Japan Edition》。 2007年6月成为独立国际科技记者。他的出版物包括《半导体大趋势2014-2025》（日经BP社出版）、《如果你不知道就危险了！》半导体，不要放弃这个不断发展的产业》、《欧洲无晶圆厂半导体产业的真相》（均由日刊工业新闻社出版）和《2011年绿色半导体技术和新业务的最新趋势》（由Impress出版）。

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