半导体是这两年国家重点发展的行业,到底什么是半导体?
生活中所有的物体按照导电性大致可分为三类:导体、半导体、绝缘体 。
这个很好理解,物体要么导电,要么不导电,要么有一点点导电,正是这种半推半就、不清不楚的物质给物理学家不同的发挥空间 。
太绝对的导电和不导电的物质没什么意思,而在不同情况下导电性发生变化的东西才是有意思的 。
来张图直观看看物体的导电性:
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按照导电性便分为:
绝缘体: 电导率很低,约介于20-18S/cm~10-8S/cm,如熔融石英及玻璃;
导 体:电导率较高,介于104S/cm~106S/cm,如铝、银等金属 。
半导体:电导率则介于绝缘体及导体之间 。
自然界中常见的元素半导体有硅、锗,据说锗基半导体比硅基半导体还要更早发现和应用,但是硅的天然优势就是便宜!自然界中常见的沙石就含有大量的硅元素,你说有多多!
即使自然界中硅砂很多,但硅砂中包含的杂质太多,缺陷也太多,不能直接拿来用,需要对它进行提炼 。
怎么提炼?一个字——烧!
正如初中化学所学的,进行氧化还原反应 。
①SiC + SiO2 → Si(固体)+ SiO2(气体)+ CO(气体)
②Si(固体)+ 3HC → SiHCl3(气体)+ H2(气体)
③SiHCl3(气体)+ H2(气体)→ Si(固体)+ 3HCl(气体)
经过三次高温化学反应后,我们得到了固体硅,但这时候的硅是多晶硅 。
啥是多晶硅?
如同我们剥橘子的时候,里面有很多瓣橘子(多晶橘子),而且不同瓣的橘子味道不一样(晶体方向),我们要选味道最好的一瓣橘子,选出来让这瓣橘子单独长大!
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怎么让一个小的单晶单独长大呢?
物理学家还是很聪明的,发明了一种长单晶的办法,叫柴可拉斯基法,可能方法就是以这名科学家名字命名的 。
行业也有一种直观的称呼,叫提拉法!
因为在长单晶时就是把小的晶体往上拔!拔的时候速度有点慢,来看看这个装置:
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图中的这个蓝色的圆棒就是单晶硅,在提拉的时候一边旋转一边往上拔,提拉法长出来的晶锭就是圆柱体了 。
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再将长好的晶锭采用机械刀片进行切割,切成一片一片的圆盘状,便成了晶圆 。
有没有很眼熟?
晶圆就是这样被生产出来了 。
虽然我们得到了晶圆,此时的单晶硅电化学性能还不行,不能直接用来做芯片,工程师们于是想办法改造单晶硅的电化学性能 。
如何改造单晶硅呢?
先深入了解一下硅元素,在元素周期表中,硅排列在第14位,硅原子最外层有4个电子,分别与周围4个原子共用4对电子,这种共用电子对的结构称为共价键(covalent bonding) 。每个电子对组成一个共价键 。
这部分知识初中化学学过,来张图片直观看看:
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左边这张图是单晶硅的晶体结构,为金刚石晶体结构 。右边这张图是硅原子共用电子的情况,中间一个硅原子和四个硅兄弟共用电子 。
突然有一天,有个物理学家想到一个问题,要是硅家不是和硅兄弟共用电子,把其他兄弟拉进群会怎样?
物理学家有一天把砷兄拉进了群,于是奇迹发生了:
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砷兄弟最外层有5个电子,其中4个电子找到了硅家的对象,另外一个电子单着了,这个电子成了无业游民,到处流窜,由于电子带有电荷,于是改变了硅家的导电性 。
此时的砷原子多提供了一个电子给硅家,因此砷原子被称为施主 。
硅家的自由电子多了以后,带负电的载流子增加,硅变成n型半导体 。
为啥叫N型?在英文里Negative代表负,取这个单词的第一个字母,就是N 。
同样,物理学家想,既然可以拉电子多的砷元素进群,那么是否也可以拉电子少的硼原子进群?于是物理学家把硼原子拉进来试试 。
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由于硼原子最外层只有3个电子,比硅少一个,于是本来2对电子的共价键现在成了只有一对电子,多了一个空位,成了带正电的空穴(hole) 。
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