科普小贴士(1): 何谓半导体?

2019-07-29 14:15

提到半导体,可能大部分稍微年长一点儿的人第一反应都是小时候家里那台老式收音机。夏日的午后,知了叫个不停,院内葡萄架下,爷爷闭着眼睛躺在藤椅上,手上托着一个搪瓷大茶缸,听着收音机里的评书《三国演义》。屋里,奶奶轻柔地摇着蒲扇,哄小孙子午睡。而那个精力充沛的孩子则毫无困意,躺着装睡,身子却动来动去不老实,竖着耳朵想听清收音机里那些扣人心悬的故事…… 在电视还尚未普及的年代里,半导体收音机曾为多少孩子打开通往外面世界的第一扇窗,为多少家庭带来新鲜的讯息和生活乐趣。


随着半导体科技特别是硅基集成电路的发展,以硅单晶为核心的半导体材料的应用领域从早期的收音机扩大到电视、计算机等家电产品。尤其是近年来,随着个人电脑、移动电话以及网络技术的发展,半导体、半导体产业等词汇再度频繁出现在我们的视野和耳畔,并且仿佛自带高大上的神秘光环。那么半导体究竟是何方神圣?


有点物理知识的朋友都知道,半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。


早在1880年左右,一些材料的半导体特性就被发现了。1911年“半导体”这个名词被首次使用。然而由于当时材料的提纯技术落后,直到20世纪30年代,半导体的存在才真正被学术界认可真正在实验室里系统验证半导体的主要特性则是在194712月份才得以实现。


按化学成分区分,半导体可分为元素半导体、化合物半导体、氧化物半导体三大类。硅和锗是最常见的元素半导体,而砷化镓、磷化镓等为化合物半导体,氧化物半导体的代表包括二氧化钛等。其中应用最为广泛、商业化利用最为成功的半导体材料是硅。因此,硅是半导体产业的最基础材料,有着“现代工业的大米”之称号。美国加州“硅谷”这个名字的由来,也正是因为这一山谷区域里聚集了大量从事硅芯片开发设计与研制工作的企业。


半导体具有五大特性:掺杂性、热敏性、光敏性、负电阻率温度特性和整流特性。在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。利用半导体的这些特性进行制造、加工的一系列工艺以及由此而来的产品,就统称半导体产业。


最早的“实用半导体”二极管和三极管在无线电收音机中被作为整流器和信号放大器等器件使用。由于半导体收音机是半导体晶体管的第一个商业化产品,而且一经推入市场便迅速普及几乎取代了早期的真空管收音机,“半导体”一度演变成为收音机的代名词。


继半导体收音机之后,半导体材料的应用越来越广泛,工艺也越来越先进。不知不觉中,半导体早已深入我们日常生活的每一个角落,是几乎所有电子产品的大脑。所以,尽管半导体收音机时代早已远去,“半导体”却从未退出历史舞台。相反,随着网络通讯技术(比如5G)、物联网、电动汽车、人工智能等产品的发展,半导体材料、半导体产品和半导体技术在我们现代生活方式的方方面面扮演着越来越重要的角色。而半导体产业的发展水平,也成为衡量一个国家科技发展水平的重要指标。