杏彩体育官网登录:
您是否曾梦想拥有一款功能多样的半导体，能够应对设计中遇到的各种挑战？或者，您是否曾设想过能够无缝适应新技术的组件，让您的项目面向未来，无需频繁更换？在本文中，我们将探讨半导体的类型、它们的日常应用以及它们如何重塑行业。通过了解它们的特性和应用，您将获得设计满足当今需求并应对未来挑战的解决方案所需的知识。
半导体是什么？简单回答就是：半导体在某些情况下能导电，但在其他情况下会阻断电流的一种化学元素或化合物。想象一下，如果金属（比如铜线）中流过电流，通常就无法切断它，除非断电——就像用墙壁开关切断电流通过房间电线流入灯泡一样。铜总是导电，而木头永远都不可能导电（因为它是绝缘体）。半导体介于两者之间。你能够最终靠设计让它导电或阻断电流！
半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料，其特性能够最终靠电压、热量或添加的杂质等外部因素控制，从而充当电子开关或放大器。
半导体的典型代表是硅，大范围的使用在制造电子元件。这种材料是晶体管和集成电路等电子设备的关键组件，应用于智能手机、电脑和汽车等各种设备中。
半导体这些材料的特性介于绝缘体和导体之间，执行着信号放大和能量转换等关键功能。半导体技术的持续创新推动了芯片尺寸的不断缩小和性能的提升，从而影响着全球电子技术发展。
半导体是电子产品中的关键组件，既是导体又是绝缘体，为计算机和智能手机等技术的发展提供了支持。
半导体行业竞争激烈，其驱动力是追求更小、更快、更便宜的芯片，以符合摩尔定律。
投资半导体需要了解该行业的周期性，市场波动会影响产量、销售额和利润率。
不同类型的半导体，例如n型和p型，是通过掺杂工艺产生的，从而改变硅的性质，以用于各种应用。
半导体是一种导电能力可控的材料，可用于传导或阻断电流，使其成为计算机、智能手机和汽车等电子设备的基本组件。通过掺杂（添加）杂质或改变外部条件来控制其特性，这些材料构成了晶体管和集成电路等基本组件的基础，这些组件用于处理和存储信息，从而实现现代技术。
半导体技术是现代电子设备的基石，比如智能手机、计算机、数字相机等都依赖半导体芯片。此外，半导体在能源领域也非常重要，如太阳能电池的核心就是半导体材料。半导体的应用还涵盖了LED照明、医疗设备的传感器及电力电子器件等，对现代科技和日常生活产生了深远影响。
电子只充满部分能带的物质是导体，当处在最高能级的电子自由移动到空的能级的瞬间，就形成了电流。导体允许能带只有部分被充满，电子可以激发跃入相邻能级；允许能带出现重叠，电子可直接移动。
导体通常指的是金属或其他物质，它们的电阻值非常低，可以轻易地传导电流。例如，铜和银的电阻值在20°C时分别为1.68x10^-8 和 1.59x10^-8 欧姆·米。
如果物质的最高能级电子完全填满一个能带，存在禁止能带，即在充满的允许能带和下一个允许能带之间存在一个大的能量间隙。那么，一个小的电场将不能给电子提供足够的能量使其越过较大的能量间隙到达下一个空能带的底部，这个物质就是绝缘体。
绝缘体的材料的电阻值非常高，几乎不导电。例如，干净的石英的电阻值大约为1x10^17 欧姆·米。
半导体能量间隙小于绝缘体，一个适合的电场或是有限的温度将使电子越过能量间隙而导电。当电子激发跃入传带后留下的空隙将会被电离电子填充，形成电流。
半导体是介于导体和绝缘体之间。例如，纯硅在室温下的电阻值约为2.3x10^3 欧姆·米，但当受到光照或加热时，其电阻值会显著减少。
芯片 (Microchip)最初的意思就是指一个成型了的物理可见的薄片产品，一个具备具体功能的电子产品实物。芯片上面排布了许许多多的晶体管，可以执行各种任务，例如处理信息、存储数据、执行计算和控制操作等。
芯片，也称为集成电路 (IC) 或简称微芯片，作为一个综合电子电路，将数百万甚至数十亿个微小的电子元件（例如晶体管、电阻器、电容器和二极管）封装在一个芯片上，形成一个完整的电子电路。
芯片是现代电子产品的基本组成部分，广泛应用于各种电子设备，从智能手机、电脑到医疗设备和汽车系统。它们赋予这些设备执行其指定任务所需的智能和功能。
将电子元件微型化到单个芯片上有助于增强功能、减小尺寸并提高效率。微芯片经过精心设计，可以完成特定的任务，包括数据处理、信息存储、功能控制以及与其他设备的通信。
本质上，微芯片是一种紧凑的电子设备，它将各种电子元件整合到一个芯片上。作为当代电子系统的核心和认知中心，微芯片赋能于我们日常生活中不可或缺的众多设备，使其拥有丰富的功能。
将芯片装到一个外壳里保护起来的过程叫“封装”。安装集成电路芯片的外壳，可以采用塑料、金属、陶瓷、玻璃等材料， 通过特定的工艺将芯片（元件）包封起来，使得集成电路在各种环境和工作条件下能稳定、可靠地工作。
有了芯片，我们可以直接通过操控电子来处理信息，而芯片就是数字世界的基石，更是数字世界与物质世界的唯一接口。
IC （Integrated Circuit）集成电路，我们也称之为芯片。集成电路可以分为模拟集成电路、数字集成电路和混合集成电路。集成电路（Integrated Circuit, IC）是一种微型电子器件或部件。集成电路是采用一定的工艺，把个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一起，成为具有所需电路功能的器件。
总而言之，半导体是电子设备的基础，而微芯片（或集成电路）是完整电子电路在半导体晶片上的物理体现。反过来，集成电路通过将多个电子元件集成到单个芯片上来实现现代电子设备的功能。对于任何对技术感兴趣的人来说，理解这些差异都至关重要，因为它能让我们更深入地了解我们周围错综复杂的电子世界。
半导体技术通过调控半导体材料的导电性（如掺杂磷或硼形成N型或P型半导体）制作晶体管、二极管等元件，并集成到芯片中。其导电性介于导体与绝缘体之间，可通过温度、光照或电场调节。
半导体技术是现代电子技术的基础，它支持从小型智能手机到先进医疗设备等各种产品。没有半导体，我们所知的数字世界将不复存在。这些材料至关重要，因为它们使工程师能够控制电流的流动，这是创建电路和电子设备的基本要求。
• 中间特性：半导体介于导体（允许电流自由流动）和绝缘体（阻挡电流）之间。
半导体是一种导电性能良好的材料，可用于晶体管和其他电子设备，但导电性不如金属。它们由中心带有正负电荷的原子组成（称为P型半导体和N型半导体），在光照或受热时会导电。
当电流流过半导体器件时，它们会被激活。电流会使半导体外层的电子在原子之间自由流动，从而在原子周围形成电场。当两个带有相反电荷的半导体相遇时，它们的电子会相互流动，在两种材料之间形成电路。
半导体的导电能力取决于其两种载流子——自由电子和空穴（空穴代表电子的缺失）之间的运动和相互作用。
固体中的能带(Energy band)是指材料中电子所能具有的能级范围。在半导体中，这些能带对于定义材料的电导率至关重要。半导体的能带由两个主要能带（价带和导带）以及它们之间的带隙组成，带隙决定了材料是导体、绝缘体还是半导体。
在固体物理学中，固体的能带结构（又称电子能带结构）描述了禁止或允许电子所带有的能量，这是周期性晶格中的量子动力学电子波衍射引起的。材料的能带结构决定了材料的多种特性。
在非金属中，价带是电子能量的最高范围，在绝对零度时，电子通常会存在于此。而导带则是空位电子态的最低范围。在具有带隙的材料的电子能带结构图中，价带位于费米能级的下方，导带则位于其上方。
在金属中，价带和导带之间的区别并不重要，因为电导发生在一个或多个部分填充的能带中，这些能带同时具有价带和导带的性质。
在固体中，电子占据形成能带的能级。半导体中最相关的两个能带是价带（充满价电子）和导带（大部分是空的）。
价带和导带是由一定能量分隔的两个不同的能级。价带和导带的主要区别在于，价带指定了原子结构价层中电子的能级。而导带则包含负责传导的电子。
价带(Valence)是由原子结构最外层电子组成的能带。这些价电子在获得足够的能量时，会转变为自由电子，并移动到导带，从而实现导电。
价带有时缩写为VB，在能级图中，其能级低于导带。这两个能带之间有一定的能量差，称为禁带隙。禁带隙的大小取决于材料的类型，即导体、绝缘体还是半导体。
由于该能带处于较低的能态，因此，通过施加外部电位，该能带中的电子会移出该能态，并向更高的能态迁移，从而实现材料导电。
导带(Conduction Band)定义为由负责传导的自由电子组成的能带,导带因此得名。基本上，受外力作用而从价带移出的电子会到达更高的能带，从而支持传导。
该能带位于费米能级以上，即处于更高的能态。因此，电子需要大量的激发能才能到达导带，从而产生电流。导带缩写为CB，它允许电子在其中自由移动。
不同材料的价带和导带之间的禁带宽度不同。例如，在导体中，两个能带重叠，因此位于较低能带的电子可以轻松移动到导带。但在半导体中，两个能带之间存在足够的能隙，因此需要外部能量来释放价电子。而对于绝缘体，带隙非常大，因此需要极大的能量才能使价电子成为自由电子。
下图显示了半导体的能带图，其中导带为空，价带完全填满，但这些能带之间的禁带宽度很小，仅为1eV。锗的禁带宽度为0.72eV，硅的禁带宽度为1.1eV。因此，半导体所需的电导率很小。
·当受到外部激发时，价带中的电子会移出价带。然而，由于外部能量的作用，电子会移入导带。
·价带中的电子受到原子核的强大作用力。相反，原子核对导带中电子的作用力非常弱，甚至几乎可以忽略不计。
半导体的主要特性主要包括禁带宽度极小，当半导体温度升高时，电导率会下降。
当热能施加到半导体材料上时，价电子会从价带移动到导带，在那里它们变成自由电子。它们在价带中留下空位，从而产生空穴。
在非导体中，这些能带彼此相距甚远，但在半导体中，它们之间的距离足够近，因此当施加热源时，电子可以从价带跃迁到导带，从而实现电流的流动。
电流强度取决于施加的电压以及半导体材料的特性。欧姆定律描述了这些因素之间的关系，该定律表明电流与施加的电压成正比，与材料的电阻成反比。
然而，可以通过控制电阻来更好地控制电流的流动。在一种称为掺杂的过程中，可以通过向材料中添加杂质来增加载流子的数量。通过增加自由电子或空穴的数量，载流子中就会形成多数，从而提高导电性。
•汽车技术：为高级驾驶辅助系统(ADAS) 和电动汽车控制系统提供动力。
了解半导体的工作原理及其在现代电子领域中的作用是充分发挥其潜力的第一步。无论您是在设计尖端电路还是排除设备性能故障，这些材料及其技术都是实现可靠、可扩展成果的关键。
内在半导体是指纯净的、未经掺杂的半导体材料。它们的导电性是由其本身的晶格结构决定的，不依赖于外部掺杂物。
通过向半导体中添加少量的杂质元素来改变其电性质的过程称为掺杂。这些杂质元素被称为掺杂剂。
P型半导体是当在半导体中掺杂三价元素时，例如硼（B）或镓（Ga）可产生“空穴”或电子缺失空间的元素，就会形成P型半导体，空穴充当正电荷载流子。
p型半导体是IV族本征半导体，例如掺杂了III族硼（B）或铟（In）作为杂质的硅（Si）。
IV族元素是具有四个价电子的四价元素，而III族元素是具有三个价电子的三价元素。仅由四价元素（例如Si）制成的单晶是一种本征半导体，其中所有键都通过共价键与其他元素连接。当向该单晶中添加少量硼（扩散/掺杂）时，硅和硼之间的一个键上会出现电子不足的情况，从而在缺少电子的地方形成空穴。这个空穴被称为空穴。如果在此状态下施加电压，附近的电子会移动到空穴，因此电子所在的位置会变成新的空穴，空穴会一个接一个地向负极移动。
在p型半导体中，携带电荷的粒子（载流子）是空穴。由于空穴是电子不足的部分，因此它们带正电。因此，它们被称为p 型。
定义：当在半导体中掺杂五价元素时，例如磷（P）或砷（As），就会形成N型半导体，使电子成为多数载流子。
n型半导体是IV族本征半导体，例如硅（Si），掺杂了V族元素，例如磷（P）、砷（As）或锑（Sb）。
IV族元素是具有四个价电子的四价元素，而V族元素是具有五个价电子的五价元素。仅由四价元素（例如Si）构成的单晶与其他元素通过共价键结合，没有多余的电子或空穴。这种无杂质的状态被称为本征半导体。当向该单晶中添加少量磷（扩散/掺杂）时，磷的一个价电子会变成可以自由移动的过剩电子（自由电子）。施加电压后，该自由电子会被吸引到正极并移动，从而产生电流。因此，n型半导体（以及下文所述的p型半导体）的电阻率会随着杂质浓度的增加而降低。
构成n型半导体的Si和P等杂质在单个原子状态下呈电中性。因此，n型半导体也呈电中性。然而，在n型半导体中，携带电荷的粒子（载流子）是自由电子。这些载流子带负电荷，因此被称为n型。
上图显示了 n 型半导体的示意能量图。价带和导带由带隙 (Eg) 分隔。在非简并半导体（具有中等掺杂水平）中，费米能级位于带隙内。这意味着功函数现在不同于电离能（价带顶(VBM) 与真空能级之间的能量差）。在半导体中，由于带隙内不存在允许的电子态，因此费米能级在某种程度上成为一种理论概念。这意味着需要考虑费米分布，它是一个统计函数，它给出了在给定电子态中找到电子的概率。费米能级是指能量尺度上概率仅为50% 的点。即使半导体中费米能级处没有电子，也可以通过光电子能谱(PES) 测量功函数。
N型半导体和P型半导体是现代电子技术的基础，在电路设计中起着互补的作用。
N型和P型半导体的组合形成了对二极管、晶体管和其他器件至关重要的结。例如，PN结二极管允许电流单向流动，同时阻止反向流动，从而确保电路正常工作。在集成电路中，N型和P型材料之间的相互作用实现了逻辑功能和开关机制。
选择 N 型还是 P 型半导体取决于电路的具体要求。了解它们的特性可确保电子设备的高效设计和最佳性能。
半导体是工程师日常接触的无数电子设备的基石。从基础元器件到尖端创新，这些技术不断突破速度、效率和可扩展性的界限。
从基础到未来，半导体技术正在推动各行各业的创新。无论您是在设计物联网传感器还是优化太阳能电池板，这些设备都能为您提供实现突破性成果的工具。
半导体是现代生活中不可或缺的一部分，为我们日常依赖的无数设备提供动力。其多功能性和适应性使其成为各行各业和应用中不可或缺的一部分。
•计算：半导体是计算机和笔记本电脑的支柱，推动着更快的处理速度和更高效的存储。微处理器和内存芯片可实现无缝多任务处理和先进的计算能力。
•通信：智能手机、路由器和5G 网络依靠半导体技术实现高速数据传输和可靠连接。射频半导体确保移动设备和卫星系统中无线通信的顺畅。
•医疗保健：核磁共振扫描仪、起搏器和诊断工具等先进医疗设备利用半导体来实现精确性和可靠性。这些技术改善了患者的治疗效果，并推动了医疗保健领域的创新。
•汽车技术：半导体为电动汽车、高级驾驶辅助系统(ADAS) 和信息娱乐系统提供动力。
•家用电子产品：洗衣机、冰箱和LED 灯等日常用品依靠半导体来提高能效和功能。它们使家用电器更加智能、耐用。
射频 (RF) 半导体是专门设计用于高频工作的元件，通常工作频率在 3 kHz 至 300 GHz 之间。这些半导体对于无线通信至关重要，确保设备能够发送和接收信号。
•移动网络：作为 4G和 5G 基础设施的骨干，为智能手机和蜂窝塔供电，实现快速、可靠的通信。
无线通信依赖于高频信号快速高效地传输数据。射频半导体确保这些信号的完整性和速度，使其成为现代技术中不可或缺的一部分。无论您是通过Wi-Fi 传输视频、使用GPS 导航还是拨打电话，射频半导体都在幕后工作，以实现这一切。对于设计无线系统的工程师来说，了解射频半导体对于确保性能和可靠性至关重要。
半导体光放大器是一种用于光通信系统中的器件，可直接放大光信号，而无需转换为电信号。它利用磷化铟或砷化镓等半导体材料来增强入射光的强度。
•直接光放大：半导体光放大器通过将光信号注入发生受激辐射的活性介质来放大光，从而增加信号功率。
•无需电转换：与传统放大方法不同，半导体光放大器完全在光域中工作，最大限度地减少信号失真并保持高数据完整性。
•紧凑高效：其小巧的尺寸以及与现有系统的集成使其成为现代电信基础设施的理想选择。
•电信网络：增强光纤电缆中的光信号，实现长距离数据传输而不会造成重大信号损失。
在电信和数据传输中，长距离保持信号强度对于可靠性和速度至关重要。半导体光放大器通过放大光信号并保留其固有特性来实现这一点。这使得它们对于高速互联网、长途通信以及5G和边缘计算等新兴技术至关重要，而强大的光网络是这些技术成功的关键。
非本征半导体导电性的控制能力使其成为电路设计中不可或缺的一部分。例如，N 型和 P 型半导体结合形成 PN 结，这是二极管的基础。
最受欢迎的半导体材料有哪些？硅、锗和砷化镓是当今大多数晶圆制造行业最常用的半导体材料。尽管硅在半导体材料的开发中至关重要，但它已在很大程度上取代锗成为主导的半导体材料。
自20世纪50年代以来，硅一直被广泛用作半导体材料。硅是地球上除碳之外最普遍的元素。虽然锗是最早被使用的三种半导体材料之一，但后来其他材料在可用性方面已经超越了它。如果您想了解更多关于这些元素的信息，这里有您需要的所有信息。
半导体的主要原料硅(Si) 和锗 (Ge) 属于 IV 族*。纯晶体（本征半导体）的性质接近绝缘体。然而，添加微量杂质（扩散或掺杂）可显著降低电阻，使其表现出导体的特性。根据添加的杂质类型，可以形成n 型和 p 型半导体。用于形成 n 型半导体的杂质包括磷 (P)、砷(As) 和锑 (Sb)。用于形成 p 型半导体的杂质包括硼 (B)、镓(Ga) 和铟 (In)。
化合物半导体由多种元素构成，而硅半导体则由单一元素构成。化合物半导体的组合示例包括III 族和 V 族元素、II 族和 VI 族元素以及 IV 族元素。最近备受关注的宽带隙半导体 SiC 和 GaN 也属于化合物半导体。
*：目前普遍使用长周期表，但本文采用短周期表，因为短周期表更容易解释半导体原材料元素的性质和行为，因为它们是根据原子的电子层排列的。在短周期表中，元素族用罗马数字表示，而在长周期表中，元素族用阿拉伯数字表示，并且它们的值也不同。例如，Si既位于第IV族，又位于第14族。
一种被称为金属氧化物硅(MOS) 器件的绝缘栅场效应晶体管使用二氧化硅（一种性能优于硅和砷化镓的化合物）作为绝缘体、钝化层和构建层。由于二氧化硅化合物比硅具有更高的介电强度和更宽的带隙，使其成为一种强大的绝缘体，因此很容易将其沉积在其他材料上。
尽管在 20 世纪末和 21 世纪初的大部分时间里，硅一直是半导体制造的主要成分，但其使用寿命已接近尾声。业内专家担心，由于对更小、更快的集成电路的需求，硅将很快达到摩尔定律的极限，而集成电路的材料效率已接近极限。
半导体材料是现代电子产品的基础，每种材料都具有独特的特性，适合特定的应用。
从化学角度来看，硅是当代科技领域最常用的天然半导体。尽管由于硅易与氧结合，纯态硅在自然界中很少见，但它仍然占地壳的近30%，是宇宙中第二丰富的元素。
使用硅作为半导体材料有很多好处。与其他半导体材料相比，尽管硅的制造过程能耗高，但硅相对易于纯化且储量丰富。硅还非常适合电子传输，因为它具有广泛的电流处理能力。
硅因其广泛的可用性和简单的制造工艺，是制造集成电路的理想材料。正因如此，硅成为大多数现代电子产品的组成部分。
o 硅的应用：由于其多功能性和低成本，广泛应用于通用计算、消费电子产品和太阳能电池。
第一个半导体是锗。贝尔物理学家约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿发明了第一个晶体管，他们就是用锗晶片来制造晶体管的。1947年，巴丁和布拉顿发现，在电路板上植入三个金触点，并通过电路传输电流后，他们的器件可以放大信号。
直到20世纪60年代硅开始在电子工业中占据主导地位之前，晶体管一直由半导体主导。硅资源仍然丰富且价格低廉。此外，硅比锗更稳定，耐热性也更高。即便如此，锗制成的晶体管仍然用于计算机以外的设备中。
高电子迁移率- 锗的高电子迁移率是其独特的特性之一。由于这一特性，半导体可以比硅或硼等其他准金属更快地传输电流。由于其高电子迁移率，它也是二战初期雷达的最佳整流材料。
更大的容量 -锗更高的电容是其另一个优势。储存直流电多余能量的能力被称为电容。当电路断电时，电容器会释放多余的电荷。理论上，通过稳定风力直到控制恢复正常，锗晶片可以为电子设备（包括计算机）提供更好的浪涌保护。此外，这还可以减轻电源波动对数据丢失的影响。
最后一种选择是切克劳斯基法，它也常用于硅和锗的制备。使用一根棒将晶体浸入熔融的砷化镓中，然后将其拉出并旋转以启动该工艺。
o 锗的应用：适用于高速晶体管和一些光电探测器，但由于成本和可用性原因，不太常见。
砷化镓，也称为GaAs，是由镓和砷元素结合而成。砷化镓是一种半导体，与硅一样，用来制造晶片。垂直梯度凝固工艺是目前最流行的技术之一，该工艺包括生长晶体、切片、边缘倒圆以及抛光成晶片。
半导体材料的选择直接影响器件的性能、成本和能效。例如，硅因其价格低廉而被广泛使用，而砷化镓则在要求苛刻的高频应用中表现出色。锗虽然不太常见，但在灵敏度和速度至关重要的领域却能胜任。
为您的设计选择合适的材料可确保最佳性能和成本效益。每种材料都具有适合特定用例的独特优势。
利用仿真工具（例如是德科技的在线性能计算器）来测试不同半导体材料在您的设计条件下的性能。这些工具可根据速度、功耗和热稳定性等因素，帮助您确定最适合您项目的材料。
半导体拥有独特的电子特性，使其在现代电子科技类产品中用途广泛。这些特性可以根据各种应用的特定性能需求进行定制。
•带隙能量：将电子从价带激发到导带所需的能量，影响导电性和温度性能。硅的带隙为1.1 eV，是一般应用的理想选择，而砷化镓(1.43 eV) 则在高频系统中表现出色。
•导电性：半导于导体和绝缘体之间，允许受控电流流动。掺杂通过引入杂质来增加载流子，从而提高导电性。
•载流子迁移率：该特性衡量电子或空穴在电场下的移动速度。像砷化镓这样具有更高迁移率的材料，可以在高速应用中实现更快的信号处理速度。
例如，低带隙材料支持节能器件，而高迁移率材料则可提高高频电路的性能。这些定制确保半导体满足从低功耗设备到先进通信系统的技术需求。
从日常设备到尖端创新，半导体驱动着塑造我们世界的各种技术。通过了解它们的类型、特性和应用，您可以自信地应对设计挑战，并选择符合您目标的组件。
无论您是渴望获得灵活的解决方案，还是担心在压力下的性能，还是因复杂的规格而感到沮丧，合适的工具都能让您脱颖而出。这些工具可以精确评估电导率、信号完整性和热稳定性等特性，帮助您在设计过程的早期识别并解决潜在问题。
半导体芯片，也称为芯片或集成电路(IC)，是现代电子产品的基石。这些芯片将复杂的电路封装在小巧高效的封装中，几乎可以实现您遇到的所有数字设备的功能。
半导体芯片是一小块硅片或其他半导体材料，嵌入执行特定电子任务的微型电路。
1. 小型化：芯片使得将巨大的处理能力集成到小型设备中成为可能，从而推动了智能手机和可穿戴设备等创新。
2. 能源效率：先进的半导体芯片可以优化能源使用，降低从笔记本电脑到电动汽车等各种设备的功耗。
3. 速度：现代芯片每秒可处理数十亿条指令，以此来实现高速数据处理和实时应用。
4. 可扩展性：芯片是设计模块化系统的基础，使工程师无需进行大规模重新设计即可添加功能。
半导体芯片改变了我们工作、沟通以及与技术互动的方式。从驱动智能手机处理器到支持人工智能和机器学习背后的复杂算法，它们都不可或缺。工程师依赖芯片的多功能性、精确性和效率，确保跨行业的无缝性能。
半导体缩略词涵盖范围广泛，从集成电路(IC) 和场效应晶体管(FET) 等基本术语，到原子层沉积(ALD) 和化学机械抛光(CMP) 等制造工艺。其他常见缩略词包括互补金属氧化物半导体(CMOS)、极紫外 (EUV)和外包半导体组装与测试 (OSAT)。
FPGA（现场可编程门阵列）：一种集成电路，设计用于在制造完成后由客户或设计人员进行配置。
ASIC（专用集成电路）：专为特定应用而设计的集成电路，而非通用集成电路。
半导体技术的核心在于材料本身。半导体是电导率介于导体和绝缘体之间的材料。这种独特的特性使其能够选择性地传导电流，使其成为电子设备的理想选择。
硅 (Si) 因其储量丰富且性能适宜，是电子工业中最广泛使用的半导体材料。硅晶圆是制造集成电路的“画布”。这些通常由硅制成的薄半导体材料片，经过一系列复杂的工艺，最终转化为功能齐全的微芯片。
晶体管可以说是20世纪最具变革性的发明之一，它作为放大和切换电子信号的关键元件，彻底改变了电子学。它的发明为电子设备的小型化铺平了道路，并为随后的集成电路奠定了基础。
MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是集成电路中最常用的晶体管类型之一。它几乎存在于所有数字电子设备中，例如微处理器和存储芯片。
二极管是一种仅允许电流单向流动的半导体器件。二极管广泛用作电源中的整流器和电子电路中的开关元件，在电子系统中引导电流流动方面发挥着至关重要的作用。
图片中是一种常用的小信号二极管。它仅允许电流单向流动，常用于信号处理和电源电路。
CMOS 技术是现代集成电路设计的基石。CMOS技术以其低功耗和高抗噪性而闻名，在数字电路中无处不在，为从微处理器到存储芯片的各种设备供电。
制造工艺包含一系列精心设计的步骤，旨在在半导体晶圆上制造集成电路。从沉积和光刻到蚀刻和掺杂，每个阶段都对最终微芯片的功能和性能起着至关重要的作用。
逻辑芯片使用布尔逻辑函数处理数字信号，存储芯片高效地存储和检索数字数据，数字模拟芯片则连接数字域和模拟域，实现这两个领域之间的信号处理和转换。
半导体是现代世界不可或缺的基石，这些半导体器件共同构成了现代电子系统的基础，为从计算机、智能手机到复杂的工业自动化和通信网络等各种设备提供动力。
Very Large Scale Integration Circuit - VLSI 技术代表了半导体集成的巅峰。它通过将数千甚至数百万个晶体管集成到单个芯片上，从而构建复杂的电子系统。这项技术彻底改变了从电信到汽车电子等各个行业，推动了创新且功能丰富的电子设备的开发。
“工艺节点”是指在制造过程中可在半导体芯片上形成的最小特征尺寸。工艺节点以纳米为单位，标志着半导体制造工艺的微型化程度。更小的制程节点能够生产出性能更高、功耗更低、制造成本更低的芯片，从而推动着技术不断进步。
5nm 工艺节点用于制造苹果A14 仿生处理器等芯片，其晶体管尺寸小至5nm。与前几代产品相比，这提高了性能和能效。
半导体组装涉及将单个半导体元件集成到功能电子系统中。该过程涵盖芯片贴装、引线键合、封装以及其他旨在确保最终产品可靠性和性能的技术。
半导体制造，通常简称为“Fab”，涵盖在半导体晶圆上制造集成电路的一系列复杂工艺。这些工艺包括光刻、蚀刻、沉积、掺杂等，每个工序都经过精心设计，以实现对器件几何形状和电气特性的精确控制。
OSAT 在半导体供应链中发挥着关键作用，提供封装、测试和物流等重要服务。随着半导体制造日益专业化和资本密集化，许多公司选择将封装和测试流程外包给OSAT。
价带和导带之间称为禁带，在量子世界里，电子能够吸收能量从价带跃迁到导带，也能释放能量从导带跌入到价带，禁带被认为是电子的真空区域。如下图
费米能级（Fermi Level）是固体物理学中描述材料中电子能量分布的重要概念。它是指在绝对零度（0 K）下，电子填充能带的最高能量水平。简单来说，费米能级是一个标志性的能量值，决定了电子在固体中如何分布，并对材料的电导性、热电性质、磁性等性质有重要影响。
在半导体中，费米能级位于价带与导带之间的带隙中。掺杂可以改变费米能级的位置，从而改变载流子的浓度和电导性。对于n型半导体，费米能级向导带靠近；对于p型半导体，费米能级向价带靠近。
费米能级 EF 与材料的电子密度、能带结构等因素相关。对于金属中的电子气体，费米能级的计算可以基于电子的统计分布：
直接禁带和间接禁带体现在晶体结构的不同，禁带宽度决定了能带之间的跃迁的概率，在间接禁带半导体中，只有当导电电子的晶体动量能转化为晶格振动的量子，即声子，复合才能产生。而直接禁带半导体，没有动量变化，电子与空穴的复合发生过程中发射光子，它几乎吸收了全部被释放的能量。因此只有直接禁带半导体才用于LED和激光器件之中。如下图
带隙能量（band gap energy），符号为Eg，是指导体或绝缘体中导带底与价带顶之间的能量差。在半导体和绝缘体中，带隙能指价带与导带之间的能量范围，本征材料的电子不具有该范围内的能量。
半导体材料的带隙能量直接影响器件性能，硅的带隙约为1.1电子伏特（eV），适合大多数电子应用，锗为0.67eV，在早期晶体管中广泛使用。二维材料如过渡金属硫化物（TMDs）具有可见光范围内的窄带隙，而单层PbI2通过溶液法制备后可形成异质结，调控光学与光电性能。石墨烯因缺乏带隙无法作为半导体，而二维黑磷材料具有标准半导体特性，其带隙特性可缓解硅基材料的漏电问题。
任何你看到、握住或触摸到的电子产品内部都包含一个或多个由半导体制成的芯片。我们始终身处半导体之中。它们存在于你的电脑、手机、手表、汽车，甚至LED灯中。半导体如此重要，因为你的日常生活离不开它们。世界越智能，对半导体的需求就越大。
对于材料科学家来说，半导体是一种包含原子和缺陷的晶体；对于物理学家来说，它有导带和价带；而对于电气工程师来说，它有电子和空穴。
你可以从能量的角度来看待半导体，器件物理学家通常也是如此。他们看到两个能带——导带和价带——以及一个很重要的能隙（又称带隙），它将两个能带分隔开来。这些能带充满了电子的“空间”，这些空间被称为能态。在导带中，只有一些能态充满了电子，而其他能态保持为空，电子可以跃迁进入。这就是半导体传导电流的方式。价带原本充满电子，但也存在一些被称为“空穴”的空态。空穴带正电，电子带负电。它们可以结合发光或发热！
如果你像电气工程师一样，从电荷的角度来看待问题，就会发现半导体中的电流通常由电子、空穴或两者共同承载。
最后，同样重要的是，从材料科学家的角度来看，我们拥有晶格——一种重复的几何图案——由原子构成，形成了一种非常晶体化的结构。有时，一组晶格中会缺少一个、两个或更多原子，这就形成了空位或缺陷。
半导体可以由单一元素或多种元素的化合物构成。硅是元素半导体，而氮化镓是化合物半导体。
有些元素本身就是半导体，或者它们可以与其他元素混合成为半导体。这些半导体实际上分为元素半导体和化合物半导体。硅和金刚石是元素半导体。氮化镓、砷化镓、碲化镉、氧化锌、二硫化钼和碳化硅是化合物半导体，等等。元素周期表为我们提供了构成半导体的多种元素排列组合。
晶圆生产：设计完成后，开始生产晶圆。这些晶圆随后被切割成数百个独立的芯片。
封装：芯片切割后，被封装到基板或电子设备上。这一阶段对于确保芯片能够集成到各种产品中至关重要。
质量检验：最终产品在出售前，需要经过严格的质量检验，以确保符合行业标准。
晶体管和二极管是计算机电路的组成部分，它们是由半导体制成的。曾几何时，计算机中的晶体管或二极管是由真空管制成的，但自从半导体出现后就不再是真空管了。
一切都离不开半导体（器件）。任何计算机都离不开半导体。计算机中的所有信息都以二进制数字（0和 1）的形式传输或存储，这些0 和 1 就是“电压”，它们由晶体管和二极管组成的小型开关产生、传输和存储，而这些开关又是由半导体制成的。计算机的运行也需要通过半导体开关来供电。
摩尔定律是英特尔公司联合创始人戈登·厄尔·摩尔提出的一个观察结果。1965年，他观察到：“最低元件成本的复杂性每年大约增加一倍”，并且这种趋势应该会持续10 年或更长时间。
摩尔定律对于半导体工程师和电气工程师来说，它是一个家喻户晓的名字。1965年，时任公司研发总监的戈登·摩尔（Gordon Moore）假设，芯片上可集成的元件数量每两年就会翻一番——这与半导体相关，因为这些元件是由半导体制成的。摩尔定律经常被用作潜在计算能力的指标。
摩尔的“预言”一直被半导体行业用来指导长期目标和制定发展路线图。半导体元件的成本只会随着时间的推移而下降，而不会上升。为了提高性能和功能，我们在芯片上集成了越来越多的元件，但却无法提高芯片的价格。因此，戈登·摩尔试图预测如何保持盈利。
摩尔定律虽然不是物理定律，但几十年来一直是半导体行业的指导原则。根据这一经验观察，微芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，从而推动计算能力、成本降低和微型化的不断进步。
即将到来的一些重大进展包括为人工智能添加情感元素、远程访问高质量医疗服务以及将能源安全与半导体紧密结合。
人工智能AI是我们这个时代最大的革命之一。我们正在将人工智能融入电子科技类产品，使其更加智能。我们也在尝试赋予它们情感，并尝试制造像你我一样的机器人。这很困难，因为人脑是一个极其复杂的系统，难以建模。我们目前还无法制造出像人类一样高效的机器人——或者应该说是这种机器人所需的芯片——但我们正在朝着这个方向努力。
我对临床和非临床医疗应用的未来发展也非常感兴趣。在世界上一些无法找到优秀外科医生的地区，6G可以让身处异地的外科医生以极高的精度远程控制手术器械。目前，5G 的延迟我认为只有几毫秒，虽然非常短，但对于像远程进行的救命手术这样的复杂手术来说，可能还不够短。如果我们能够做到这一点，世界将受益于来自任何地方的专业知识。
另一个非常有趣的事情是能源安全，目前的能源安全主要依靠石油。我认为，由于对可再生能源的依赖，能源安全将在很大程度上依赖于半导体——要将能源从一种形式转换为另一种形式，就需要半导体。
你经常听到的一个想法是取代硅或制造非硅计算机。但这不会发生。我们整个现代计算机的概念都基于硅，而硅也不断以非常好的方式给我们带来惊喜。与此同时，硅产业越来越乐于接受新的半导体来补充硅，这是关键所在。理论上，我们应该能够通过添加非硅半导体来实现硅无法实现的功能，从而提高硅的效率。例如，我的团队致力于研究金刚石的热性能，现在我们正在将其与芯片上的硅混合，使其性能更好，散热性能更强。氧化物、氮化物、一维、二维——所有这些半导体都可以巧妙地混合（称为“异质集成”），从而提高整体性能。但这并非易事，需要时间。
这是一个蓬勃发展的行业，而且它的跨学科性日益增强，这很有吸引力。但我们鼓励大家花足够的时间去了解这个话题，并自行判断他们对半导体行业现状的看法。慢慢来做决定没问题，不必操之过急。大型科技公司都在自家后院设有半导体研发中心。此外，人们并不总是意识到半导体是一个非常跨学科的领域。它包含化学、物理和工程学，你可以将它应用到你喜欢的领域：能源、可持续发展、医疗或生物应用。
我们对半导体技术的未来非常乐观是基于两个主要原因。首先，我们的行业正在接受一个事实：单靠硅是不够的。我们已经习惯了硅，并且对它了如指掌。我们大家可以更自由地探索用于逻辑、存储器、功率转换、热管理等各种新材料和软件。
关注我们
微信公众号
