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半导体与集成电路的关系

       半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。我们知道,电路之所以具有某种功能,主要是因为其内部有电流的各种变化,而之所以形成电流,主要是因为有电子在金属线路和电子元件之间流动(运动/迁移)。所以,电子在材料中运动的难易程度,决定了其导电性能。常见的金属材料在常温下电子就很容易获得能量发生运动,因此其导电性能好;绝缘体由于其材料本身特性,电子很难获得导电所需能量,其内部很少电子可以迁移,因此几乎不导电。而半导体材料的导电特性则介于这两者之间,并且可以通过掺入杂质来改变其导电性能,人为控制它导电或者不导电以及导电的容易程度。这一点称之为半导体的可掺杂特性。
       前面说过,集成电路的基础是晶体管,发明了晶体管才有可能创造出集成电路,而晶体管的基础则是半导体,因此半导体也是集成电路的基础。半导体之于集成电路,如同土地之于城市。很明显,山地、丘陵多者不适合建造城市,沙化土壤、石灰岩多的地方也不适合建造城市。“建造”城市需要选一块好地,“集成”电路也需要一块合适的基础材料——就是半导体。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓(化合物),其中应用最广的、商用化最成功的当推“硅”。
       那么半导体,特别是硅,为什么适合制造集成电路呢?有多方面的原因。硅是地壳中最丰富的元素,仅次于氧。自然界中的岩石、砂砾等存在大量硅酸盐或二氧化硅,这是原料成本方面的原因。硅的可掺杂特性容易控制,容易制造出符合要求的晶体管,这是电路原理方面的原因。硅经过氧化所形成的二氧化硅性能稳定,能够作为半导体器件中所需的优良的绝缘膜使用,这是器件结构方面的原因。最关键的一点还是在于集成电路的平面工艺,硅更容易实施氧化、光刻、扩散等工艺,更方便集成,其性能更容易得到控制。因此后续主要介绍的也是基于硅的集成电路知识,对硅晶体管和集成电路工艺有了解后,会更容易理解这个问题。
       除了可掺杂性之外,半导体还具有热敏性、光敏性、负电阻率温度、可整流等几个特性,因此半导体材料除了用于制造大规模集成电路之外,还可以用于功率器件、光电器件、压力传感器、热电制冷等用途;利用微电子的超微细加工技术,还可以制成MEMS(微机械电子系统),应用在电子、医疗领域。

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