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半导体到底是何方神圣

所谓半导体,正如其字面意思所示,是指电阻介于金属等“导体”和“绝缘体”之间的物质(见图2-1)。

图2-1 硅晶体既可成为导体亦可成为绝缘体

资料来源:菊地正典的《科技时代的先锋:半导体面面观》(日本实业出版社,1998年)中的P.13中的图1,由笔者制作。

有很多物质都是半导体,地球上最多的就是硅(Si)。硅属于元素周期表中的IVA族,最外层有4个价电子,这使硅原子相互之间以共价键结合,化学性质非常稳定。因此,纯硅晶体虽说是半导体,但由于电阻高,属于近乎绝缘体的半导体。

如此一来,如果向硅中加入如磷(P)或者硼(B)等杂质,硅的电阻会下降,从而成为导体。另外,高温加热硅,并使其与氧气接触,其表面便会形成硅氧化膜的二氧化硅(SiO 2 )。二氧化硅是极为稳定的绝缘体。也就是说,往硅中注入杂质后,它便成为导体,而将之氧化后,它又会成为绝缘体。

利用硅的此类性质,可以在硅片上安装电开关或者放大元件。这就是晶体管。只是,我们通常所说的“半导体”并不是指半导体物质,多数情况都是指“半导体集成电路”。因此,“半导体产业”更准确的说法应该是“半导体集成电路产业”。

只是由于这个名称过长,最终“半导体”这个简称便成了固定用法。因此本书也将“半导体集成电路”简称为“半导体”。

那么,何谓半导体(集成电路)呢?

所谓半导体(集成电路),就是在半导体材料硅基板上集成无数个晶体管、电容、电阻等,使其实现一定功能的电子电路(见图2-2)。

在直径20~30cm的硅片上同时植入成百上千个半导体,然后逐一切分出来使其形成芯片,最后封装到瓷器或者塑料等材料内。

图2-2 何谓半导体(集成电路)

半导体最大的优点是可以在极小范围内形成电路。接下来,我们来看看收音机电路的制作过程(见图2-3)。

图2-3 半导体(集成电路)的特征

当使用晶体管、电容器、电阻等离散元(discreet)制造收音机时,将这些离散元插入印刷电路板,焊接后形成电路。这种电路的大小是长为10cm、厚2cm左右。

但是,如果在硅片上制造功能完全一样的电路,其厚度只有前者的1/200(图中为0.1mm),而长度也仅是前者的1/100000(图中为1μm=0.001mm) [1] 。换言之,半导体在极小范围内可形成具有一定功能的电路。这便是半导体最大的优点。


[1] 1微米(μm)=10 -3 毫米(mm)=1000钠米(nm),当下的主流处理器芯片都是钠米级的。——译者注 drKg0c5B5yvIvwjXwX1uS8RELB8y03qCDPjIBjGttuA1R6Dl/7tErunRDQnAA4Pt

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