科技時代的先鋒

內容概要

在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現象，其中都必定包含著科學的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。面對未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科學”趣味科普叢書，把我們身邊方方面面的科學知識活靈活現、生動有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收獲這些鮮活的科學知識！
筆記本電腦中CPU的存儲功能當然不必說了，從先進的智能家電到高性能的汽車，幾乎所有的設備中都必不可少半導體器件和集成電路。正是技術人員們無窮的創(chuàng)意、智慧和辛勤，我們才享受到了如此尖端的科技，就讓我們從這些豐富的彩圖當中來了解一下半導體以及這其中凝結著的人類智慧吧！
本書適合青少年讀者、科學愛好者以及大眾讀者閱讀。

作者簡介

史蹟
1984年畢業(yè)于大連理工大學金屬材料專業(yè)，1997年獲東京工業(yè)大學金屬工學博士學位，2004年任東京工業(yè)大學材料工學副教授，2012年4月升任教授至今?，F從事金屬物理、功能材料、結構分析等材料科學的研究。
譚毅
1993年3月獲東京工業(yè)大學金屬工學博士學位，1997年與2001年分別在日本超高溫材料研究所和美國加利福尼亞大學洛杉磯分校任研究員，2009年受聘于大連理工大學，任材料學院教授、能源研究院副院長至今?，F從事冶金法提純多晶硅材料、薄膜材料、高溫材料等新能源材料的研究。

書籍目錄

第1章 半導體基礎001 介于導體和絕緣體之間的物質——半導體002 半導體也有很多種① 半導體的種類003 半導體也有很多種② 半導體的驕子——硅004 固態(tài)硅的三種形態(tài) 單晶、多晶、非晶005 硅半導體內的電傳導① 自由電子導電的n型硅006 硅半導體內導電的物質② 空穴導電的p型硅007 半導體中的電子和空穴是如何運動的? 能帶和能帶理論①008 半導體中的電子和空穴是如何運動的? 能帶和能帶理論②009 具有與硅不同特征的半導體 由2種以上元素構成的“化合物半導體”COLUMN 氧化物半導體和有機半導體第2章 半導體器件010 能阻礙電流流動的電阻 半導體制造的“電阻元件”011 能暫時儲存電的電容 半導體制造的“電容元件”012 使電流單向流動的器件 pn結二極管013 把光變成電的半導體器件 光電二極管014 把電變成光的半導體器件 發(fā)光二極管015 通信和存儲方面的廣泛應用 半導體激光016 晶體管是什么 代表性晶體管的種類017 以電子作為載流子的MOS晶體管 n溝道型018 以空穴作為載流子的MOS晶體管 p溝道型019 讓移動設備成為可能 CMOS020 用pn結作為柵極的晶體管 JFET021 利用肖特基柵極的晶體管 MESFET022 利用電子與空穴的晶體管 雙極型晶體管COLUMN 晶體管的誕生第3章 半導體集成電路——邏輯電路023 將電子元器件和線路制作在半導體電路板上 集成電路024 各種各樣的IC 根據結構、基板、信號不同而不同025 芯片上能夠裝多少個元件 根據集成度進行的MOS-IC分類026 IC都有什么樣的功能 按功能對MOS-IC分類027 邏輯電路的數學基礎 布爾代數028 邏輯電路的基本組成要素“門電路”① NOT電路029 邏輯電路的基本組成要素“門電路”② OR電路030 邏輯電路的基本組成要素“門電路”③ AND電路031 進行加法運算的電路 加法電路032 進行減法運算的電路 減法電路033 比較判斷信號大小的電路 比較電路和異或電路034 實現作為計算機大腦功能的IC MPU035 實現微機功能的IC MCU036 處理數字信號的特殊處理器 DSP037 根據使用者、用途不同而被專用化的IC ASIC038 用戶可自己變更功能的邏輯電路 可編程邏輯器件PLD039 在IC芯片上實現系統功能 系統LSI040 被稱作電子眼的IC CCDCOLUMN 最早的電子計算機第4章 半導體集成電路——存儲器041 暫時記錄數據的電路 觸發(fā)器和暫存器042 記憶信息的半導體的結構043 計算機的主要存儲器 DRAM044 不需要保存過程的高速存儲器 SRAM045 制造階段記錄數據的存儲器 掩模式只讀內存046 切斷電源也可以持續(xù)記憶的存儲器 閃存047 相同數量的存儲單元記憶容量增加 多值內存COLUMN 微型化的指導原理——定標原理第5章 IC的開發(fā)和設計048 IC開發(fā)流程 從市場調查到上市049 IC的分層設計 從系統設計到版圖設計050 關于 IC的元件尺寸與位置關系的規(guī)則 設計標準051 設計IC的結構和電特性 設備設計052 設計IC的制造方法 流程設計COLUMN 半導體業(yè)的分化第6章 硅晶片的制作方法053 硅元素無處不在054 多晶硅是硅石經還原、轉化、蒸餾而成的055 使單晶硅棒生長的CZ法056 單晶棒切片以及磨面加工057 以毒制毒 晶體吸雜058 硅晶片派生物 外延生長晶片和SOICOLUMN 硅晶片的性能要求第7章  IC的制作方法①——前工序059 IC的整體制造過程概觀 前工序和后工序060 原件形成前工序的前半部分① FEOL061 原件形成前工序的前半部分② FEOL062 配線形成前工序的后半部分 BEOL063 導體、絕緣體、半導體的薄膜形成技術 成膜工程064 把掩膜形式轉變成晶片 光刻技術065 材料膜腐蝕去除 蝕刻法066 半導體里加入雜質 熱擴散和離子注入067 各種熱處理的作用 推進、回流、退火068 晶片表面完全平整化 CMP069 清潔晶片 清洗070 判定晶片上芯片的優(yōu)劣 晶片檢測和修飾COLUMN 凈化車間第8章 集成電路的制作方法②——后工序071 把晶圓切割成一個個芯片 切割072 芯片封裝 安裝073 芯片電極和包裝接線柱的連接 金屬絲焊接074 芯片封裝 密封075 封裝接線端識別IC 引線鍍金、蓋印、成形076 包裝的種類 通孔安裝和表面安裝077 IC的形狀和特性檢測 檢查和分類COLUMN IC的可靠性和篩選第9章 半導體尖端技術078 硅晶圓的大尺寸化 下一代晶圓是450mm079 MOS晶體管高速化 應變硅技術080 新結構MOS晶體管 被稱作最終的晶體管結構081 光刻技術的未來① 浸沒式曝光和雙重曝光082 光刻技術的未來② EUV083 光刻技術的未來③ ML2和納米壓印084 萬能的功能存儲器可以實現嗎① 功能存儲器的候選技術085 萬能的功能存儲器可以實現嗎② 強電介質存儲器和磁性存儲器086 萬能的功能存儲器可以實現嗎③ 相變存儲器和可變電阻式存儲器087 新材料引進帶來的突破① 高-k柵極絕緣膜和金屬柵極088 新材料引進帶來的突破② DRAM高容量膜和低-k層間絕緣膜COLUMN “More Moore”和“More than Moore”參考文獻譯后記

章節(jié)摘錄

　　固態(tài)硅的三種形態(tài)：單晶、多晶、非晶 （003）中提到了單晶硅，但是固態(tài)硅的形態(tài)除了單晶還有多晶和非晶。圖1中顯示了硅的單晶、多晶和非晶的不同。單晶硅在前面的部分中已經有所介紹。多晶硅是由許多稱為晶粒的單晶 硅小顆粒任意聚集形成的集合體。晶粒問相連接的部分稱為晶界。多晶的英 文是poly-crystal，因此多晶硅也常常被稱為poly硅。多晶硅在半導體裝置、顯示器、太陽能電池等方面均有應用。非晶硅是整個結構中都沒有規(guī)律性狀態(tài)的硅，又稱為無定形硅或非晶質 硅。非晶硅也用于顯示器和太陽能電池等領域。單晶硅、多晶硅與非晶硅在被制作晶體管等電子元件時，電子速度依次 變慢，漏電流依次變多。液晶顯示器（LCD）等電子產品通常使用在玻璃基板上形成的非晶硅。雖 然其性能不如晶體硅，但是其成本低而且可以形成大面積的薄膜，因此在大 屏幕液晶電視等方面應用廣泛。同時，非晶硅在激光照射等條件下，在溫度為500℃左右的低溫時也可 以形成“低溫多晶硅”。雖然與非晶硅相比成本有所提高，但是因為具有多 晶硅的優(yōu)越特點，所以被用在手機、移動辦公設備的顯示器等方面。硅半導體內導電的物質①：自由電子導電的n型硅 （002）中提到的單晶硅是不含雜質的純凈狀態(tài)、電阻率（p）為4×10*3Q.m 的本征半導體。一方面，如圖1所示，單晶硅中加入微量的導電型雜質磷（P）、砷（As）、硼（B）等，隨著雜質濃度的變化，電阻率會有很大變化。這種添加雜質的半 導體稱為雜質半導體。如圖2所示，單晶硅中加入微量磷、砷等V族元素后，晶體中會產生能夠 自由移動的電子。原因如下：以磷為例，磷原子最外層有5個電子，因此單 晶中硅原子被磷原子替換，磷原子5個結合鍵中的4個與周圍4個硅原子以共 價鍵結合，剩余一個。也就是說，磷原子最外層的5個電子中，未參與結合 的一個電子將處于自由狀態(tài)。這個電子因為能通過電場在晶體中移動，被稱 為自由電子。另一方面，形成共價鍵的電子即使在電場中也不能移動，因此稱為束縛 電子或價電子。添加微量磷、砷等V族元素的單晶硅稱為n型硅。n型硅中由自由電子傳 輸電荷，因為電子帶負電荷（negative charge），取其首字母稱之為“n型”。n型硅中傳輸電荷的物質，即稱為載流子的是帶負電荷的電子，因此電 流流動方向與電子移動方向相反。這是因為電子被發(fā)現之前，人們規(guī)定電流 是從電壓高的部分流向電壓低的部分。硅半導體內導電的物質②：空穴導電的p型硅 為了研究硅等半導體中的電流流動情況，空穴也是一種很重要的考慮方 法?？昭ㄓ⑽姆Q為hole，意思是“帶正電荷的空洞”。在這里我們首先了解 一下空穴。如圖1所示，單晶硅中加入微量Ⅲ族元素硼（B），晶體中的硅原子一部分 被硼原子替換。硼最外層有3個電子，比硅少1個，因此硼原子周圍有4個硅 原子時，形成3個共價鍵，有一個硅原子不能結合。也就是說，缺少一個電 子，或者是說處于少一個結合鍵的狀態(tài)。單晶硅整體顯電中性，因此這個缺少電子之處，即是空穴，帶有與外部 電子所帶負電荷大小相同、符號相反的正電荷。而且，在這個缺少電子之處，附近形成共價鍵的電子很容易進入，從而在其原來所在的地方形成空穴。所以給單晶硅上加電場時，電子移動方向與電場方向相反，而空穴則沿電場 方向移動。這種與電子符號相反電量相同的正電荷，在電場中可以容易地移動的假 想粒子稱為空穴。如果把束縛電子比喻成水的話，空穴就是其中產生的“氣 泡”?？昭◣в姓姾桑╬ositive charge），因此通過空穴傳導電流的硅稱為p 型硅。也就是說，p型硅是以空穴為載流子的硅。p型硅中，電流流動方向與 空穴運動方向一致。半導體中的電子和空穴是如何運動的？能帶和能帶理論① 到目前為止，我們已經定性地說明了導體、絕緣體、半導體、本征半導 體、雜質半導體、n型硅、p型硅等。大家應該對這些概念有了一定程度的掌 握，但是為了進一步正確地、定量地理解半導體的工作原理，就需要我們用 到在量子力學中使用的描述晶體中電子狀態(tài)的能帶理論。能帶理論的詳細描 述不在本書的范圍內，因此在這里僅介紹一些要點。例如，作為不含雜質的本征半導體，“單晶硅”中電子的能量狀態(tài)如圖 1所示，這些電子處于被稱為導帶及價帶的能量區(qū)域，這兩個能帶之間電子 不能存在的能量區(qū)域被稱為禁帶。硅的禁帶寬度是1.1eV（電子伏特）。作為 本征半導體的單晶硅，在室溫條件下，價帶被束縛電子填滿，而由于導帶中 幾乎沒有電子，因此不存在能夠自由移動的電子。此時單晶硅的電阻率很大，基本上沒有電流通過。但是，如圖1（b）所示，在高溫條件下單晶硅價帶的束縛電子得到足夠的 能量后，越過禁帶躍遷到導帶，成為自由電子，而且在價帶中形成電子的空 位，成為空穴。這些自由電子和空穴能在單晶硅中自由移動，此時單晶硅的 電阻率減小，電流變得容易流動。圖12中表示了物質能帶的差異。從圖中可以看出，導體中不存在禁帶，另外，絕緣體中禁帶的范圍很大（通常在3.5eV以上），半導體的值在這兩者 之間。P8-14

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