半导体是做什么的？

半导体是做什么的

这些年整个集成电路行业都陷入了瓶颈，处理器工艺制程难以精进，摩尔定律似乎已经走向了没落，半导体行业一直想要找出可以替代硅（Si）的半导体材料，但尝试了各种后发现还是硅（Si）好挣钱......接下来具体说说

半导体是什么？芯片为什么和半导体密不可分？为啥光刻机如此重要

前段时间有人留言，想了解半导体究竟是什么，和导体绝缘体有什么关系？然后罗叔做了调查，发现大多数人，一听到半导体这个名字的时候，靠前时间想到的就是半导体产业，但要他们说一下半导体到底是什么，又说不出个所以然。因此本篇视频就来给大家介绍，半导体的“前世今生”。

学过物理的朋友应该都知道，导体就是指非常容易导电的物质，像铜、铝、铁等金属都是导体，水和潮湿的土地也是导体，绝缘体就是不能导电的物质，像玻璃、橡胶等都是绝缘体。而半导体，顾名思义，就是介于导体和绝缘体之间的一种物质，它的导电性处于人类可控的一种状态。

很长的一段时间里，人们都以为世界上的物质要么是能导电的，要么是不能导电的。直到1833年，法拉第首次发现，硫化银的电阻性能不同于其他金属，一般的金属电阻是随着温度升高而增加，但硫化银的电阻却是随着温度上升而降低。

6年后，法国的贝克莱尔又发现，半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是光伏特效应。然后在30多年后，科学家又发现，光照变化会引起半导体材料，电导变化的现象，即光电导效应，和半导体材料的导电具有方向性，即整流效应，至此半导体的4个主要特性相继被发现。

不过当时的人们并不知道，这些材料是半导体，也没有对半导体的特性进行总结。半导体这个名词是直到1911年，才被考尼白格和维斯首次使用，四个特性更是直到1947年，才被贝尔实验室总结出来。不过可别小看半导体这四个特性，正是因为它们的存在，由半导体产业创造的信息社会才会出现。

在学术界的认知里，半导体主要由四个部分组成，集成电路，光电器件，分立器件，传感器，不过因为集成电路占了其中的80%，所以外行人一般将集成电路看做半导体。而在集成电路里，又分为微处理器、存储器、逻辑器件，以及模拟器件，这些类似于小盒子的东西，其实就是我们俗称的芯片。看过罗叔视频的朋友可能知道，芯片是由晶体管组成的，但如果从材料学的意义上来讲，其实晶体管全部全部是由，半导体材料制造的。

相信大家都知道，手机和电脑等设备我们一般叫做电子产品，但很少有人想过为什么，其实就是因为它的整个运行原理，都离不开电子。可能你要问，导体里面也有大量的电子，为啥不用它呢？这就不得不提到我们前面说的，半导体的靠前个特性，它的电阻是随着温度的上升而降低的，这是什么意思呢？

普通的金属温度一旦升高，内部震动就会随之加强，电阻也会增大，这时电子运行就会遇到阻碍，而半导体材料则相反，它是随着温度升高电阻反而降低，所以电子的运行基本不会受到影响，这个时候晶体管就可以流畅地控制电信号，从而完成一整套的电路逻辑。

有人可能会问了，为啥是光来雕刻芯片上的电路呢？光导电效应和光伏特效应，也没应用在芯片工艺上啊，前面我们也说了，半导体和光有特殊关系，不仅有光伏特效应，也有光电导效应，这是什么意思呢？光伏特效应其实就是，半导体材料在光的照射下，会将光子转换成电子，太阳能电池板就是运用这个原理，虽然一般人认为它和芯片没什么关系，但半导体材料和光的关系，在这里体现得淋漓尽致，而光电导效应就是指光照越强，光电导材料的电阻率就会越小。如果在低温条件下，由它制造的元器件就可以通过，中远红外辐射进行探测。

虽然不知道光刻机的作用，是不是也是这个原理，但罗叔在以前的视频里介绍过，芯片在制造的时候，一般先将半导体进行切割，这些片状的物体叫做晶圆，晶圆经过热处理以后，会得到半导体的氧化物，这时在上面涂上一层光阻物质，也就是光刻胶，就可以通过紫外线，将复杂的电路结构图刻画在晶圆上，这个过程是极其复杂难做的。后来科学家经过研究，发现使用极紫外线照射半导体材料后，芯片的存储容量会出现增长，其速度也比原来快100倍。

半导体是做什么的

答：半导体是制作各种电子器件的核心材料，如二极管、晶体管和集成电路等。它们具有导电性能可通过电压控制，因此在计算机、手机和家电等产品中发挥着重要作用。此外，光电子器件如LED灯和太阳能电池板也依赖半导体技术。半导体的研究和开发推动了信息技术、新能源和汽车行业的创新，使得生活更智能、高效。

半导体器件及应用

基本半导体器件

基本半导体器件如二极管、晶体管和集成电路是电子技术的核心组件。二极管主要用于电流的单向导导，其正向导电时的电压通常为0.7V，而逆向截止电压可以达到数百甚至数千伏，因材料和设计不同而异。晶体管是用来放大或开关电子信号的，具有不同的功率等级，从几毫瓦到数百瓦不等，效率可以达到70%以上，尺寸和参数因应用而异，其寿命通常超过10年。

集成电路集合了大量的晶体管在一个小尺寸的半导体芯片上，可以达到微米乃至纳米级别的制造精度。集成电路的成本取决于其复杂性和制造批量，但可以通过规模经济显著降低。例如，一个简单的逻辑门集成电路可能仅售几分钱，而一个高性能的处理器的价格可以高达数百美元。集成电路的速度已经可以达到每秒数十亿次的交换速率，不断推进的制造工艺也正使得它们的尺寸越来越小，性能越来越强。

半导体在电子产品中的应用

半导体技术在计算机和智能设备中无处不在，是这些设备能够执行复杂运算和处理任务的基础。在通讯设备中，如手机和路由器，半导体器件使得信号的传输速度和处理速度得以保证，同时其耗电量也得到了优化，以延长设备的使用寿命和待机时间。在家用电器如洗衣机、微波炉等中，半导体技术同样发挥着重要作用，它使得这些设备能够智能化地操作，节省能源，并提供用户友好的接口。

光电子器件

LED与激光器是光电子器件中最常见的例子，它们通过半导体材料在电与光之间转换。LED用于显示屏、照明和指示器，具有高效率、低功耗（一般在几毫瓦到几百瓦之间）和长寿命（多达5万小时）的特点。光伏器件，如太阳能板，通过将太阳能转换为电能，为环境友好型能源的应用提供了强有力的技术支持，其转换效率目前可达15%到20%，但这一数字随着技术进步正持续提升。

半导体在其他领域的应用

在医疗设备领域，半导体技术使得便携式诊断设备和高精度治疗设备成为可能，提高了诊疗的准确性和可靠性。航空航天利用半导体技术来提升导航系统的准确性和飞行器的性能。汽车行业中，半导体器件使得现代汽车具备了更多智能功能，如自动驾驶辅助系统、电动汽车控制系统等，这些系统的有效运行依赖于高性能、高可靠性的半导体组件。

半导体生产技术

半导体制造过程

半导体制造过程是一系列复杂的步骤，包括材料的合成、晶圆的制备、光刻、蚀刻、掺杂、沉积和测试。这个过程的目标是制造出高性能、高质量和高纯度的半导体器件。例如，一个8英寸的硅晶圆的成本大约为300美元，但加工成最终的微处理器后，其价值可以增加数十倍。

晶圆制备通常开始于99.999%纯度的多晶硅，通过柴可拉斯基法生长为单晶硅，其直径和长度会根据具体需求而变化。光刻步骤需要使用高精度的设备，其价格通常在300万到500万美元之间，具有纳米级分辨率。蚀刻步骤中的精度和效率对于器件性能至关重要，这些过程的精细度直接影响着晶体管的速度和集成电路的密度。

纳米技术在半导体制造中的应用

纳米技术的应用大大提升了半导体器件的性能和尺寸精度。通过使用极紫外光（EUV）光刻技术，制造商现在能够生产线宽仅为几纳米的电路，而这在以往是无法实现的。这种技术可以大幅提升晶体管密度，降低芯片的功耗，并增加处理速度。采用EUV技术的设备成本极高，但其可以大大减少生产过程中的步骤数，降低长期生产成本。

半导体设备

半导体设备的质量直接关系到最终产品的性能和产量。高品质的设备通常需要较高的投资，如一个现代化的光刻机的费用可能高达数千万美元。这些设备的寿命一般为5到10年，但维护成本年度可达数百万美元。设备的性能参数，如对准精度、重复性和处理速度，是其价值和生产能力的关键。

芯片制造的挑战与解决方案

芯片制造面临的挑战包括提升器件性能的同时降低成本和功耗。制造过程中的一项主要挑战是提高产量率，即尽可能多地生产出合格的芯片。例如，晶圆缺陷密度的减少可以显著提升产量率，从而减少每颗芯片的平均成本。此外，随着设备老化，保持生产的一致性和精度也是一个不断挑战。解决这些问题需要持续的技术创新和严格的生产控制。

半导体市场与经济

全球半导体市场分析

全球半导体市场在过去的十年中显著增长，预计到2023年将达到约5,310亿美元的市值。市场增长主要受到智能手机、计算机和数据中心需求的推动。中国是全球最大的半导体市场，占全球销量的约三分之一，但在高端半导体产品的自给自足率方面仍有较大的差距。

半导体产业链

半导体产业链涵盖了从原材料供应到最终产品制造和销售的所有环节。上游主要包括硅片和其他材料供应商，中游为半导体制造与封装测试环节，下游则为最终产品的集成与应用。其中，晶圆代工的成本构成中，材料费用约占30%，设备折旧约占40%，人工及其他运营费用占30%。如台积电和三星是目前市场上主要的晶圆代工企业。

重要半导体产业区域

亚洲是全球半导体产业的重心，尤其是东亚地区，如台*、韩国和日本，它们在全球半导体供应链中扮演着关键角色。硅谷则因其高度集中的技术创新而知名，而欧洲的强项在于设计和某些特定类型的半导体产品。

未来半导体行业发展趋势

行业趋势显示，未来半导体发展将聚焦于先进制程技术，如5纳米和3纳米技术的开发。此外，应对全球供应链中断和提升供应链的多元化和弹性也是行业重点。半导体行业对高性能计算和存储需求的增长，将持续推动市场向前发展。市场研究机构预计，到2025年全球半导体市场将增长至超过7,500亿美元。

半导体产业的研发支出十分庞大，以英特尔公司为例，其2022年的研发支出超过了130亿美元。这一数字反映了高研发成本对于维持技术领先地位的重要性。在材料上，硅基半导体仍是主流，但新兴材料如碳化硅和氮化镓等也在市场上逐渐占据一席之地，因其能带来更好的功率效率和耐高温性能。

半导体的研究与开发

研究领域和热点

半导体研究领域当前最热门的趋势包括新材料的探索，例如二维材料和拓扑绝缘体，它们被预测将用于下一代电子器件。此外，功率半导体的研究因应对能效要求的提升而变得至关重要，氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)基半导体在这一领域表现出较传统硅半导体更高的效率和功率密度，能显著提升如电动车和可再生能源系统的性能。

半导体的未来技术

半导体的未来技术发展焦点包括量子计算和光子集成电路。量子计算的研究正在试图克服量子比特的稳定性和误差率问题，旨在实现超越传统计算能力的新型计算方式。而光子集成电路被认为是解决数据传输中速度瓶颈的关键技术，将光用于芯片内部和芯片间的数据传输可以大大提高速度和带宽。

研发投资和政策环境

各国政府对半导体研发的投资呈现增长趋势，以鼓励技术创新和产业发展。例如，美国的芯片法案(CHIPS for America Act)涉及约520亿美元的资金投入，旨在刺激国内半导体研发和制造。而欧盟也在实施其“数字欧洲计划”，预计到2027年将投入超过80亿欧元用于半导体研发。

在成本方面，研发一种新的半导体材料或工艺的费用可以高达数十亿美元，而且通常需要多年才能从实验室走向市场。在质量上，半导体制造过程的良率即制造过程中可用芯片的百分比，直接关联到成本和效率。高良率可以降低每芯片的成本，而良率的提升往往依赖于制造技术的精细化和控制过程的优化。

具体来说，3纳米技术的研发正在成为多家半导体公司的焦点，这需要巨额投资用于设备和技术开发。台积电计划在3纳米工艺技术上的投资达到约280亿美元，显示了这一领域的资金密集程度。速度方面，研发周期的缩短成为企业争夺市场的关键，加速产品从设计到生产的时间至关重要，这通常意味着每缩短一年时间，就可能为公司带来数亿美元的额外收入。

半导体研发的另一个关键点是生命周期管理。随着技术的迅速迭代，一款半导体产品的市场寿命可从几年到十年不等，取决于其应用领域和技术更新的速度。这需要公司在研发策略中就产品的预期寿命作出考量，以确保研发投资的经济合理性。

硬件百科：半导体原材料有哪些？

这些年整个集成电路行业都陷入了瓶颈，处理器工艺制程难以精进，摩尔定律似乎已经走向了没落，半导体行业一直想要找出可以替代硅（Si）的半导体材料，但尝试了各种后发现还是硅（Si）好挣钱。

虽然硅（Si）在集成电路芯片制造上目前无法被替代，但经过了这么多年的发展，每一个成熟的半导体材料自己都可以带动一个行业的发展，那么目前行业里有哪些半导体材料呢？

靠前代半导体：

业界将半导体材料进行过分类，前面提到的硅（Si）和锗(Ge)是靠前代半导体材料。

硅（Si）：前面提到的硅（Si）是目前应用最广泛的半导体材料，集成电路基本都是由硅（Si）制造。硅（Si）被大家广为熟知是因为它是CPU的材料，英特尔和AMD的处理器都是基于硅（Si）所打造的，当然除了CPU，GPU芯、存储闪存也都是硅（Si）的天下。

锗（Ge）：锗（Ge）是早期晶体管的材料，可以说正是硅（Si）出现之后锗（Ge）才走向了没落，不过也只是锗（Ge）并没有被硅（Si）完全取代，作为重要的半导体材料之一，锗（Ge）依旧活跃在一些光纤、太阳能电池等通道领域。

靠前代半导体材料的不管是技术开发还是还是成本把握都最为成熟，所以即使后面的第二、第三代半导体材料在某些特性表现方面完全超越了硅（Si），却也没有办法商用取代硅（Si）的价值，无法带来硅（Si）这样的高收益才是关键。

第二代半导体：

第二代半导体材料与靠前代半导体有本质的不同，靠前代半导体的硅（Si）和锗（Ge）属于单质半导体，也就是由单一物质构成。而第二代属于化合物半导体材料，由两种或两种以上元素合成而来，并且拥有半导体特性，第二代半导体常见的是砷化镓（GaAs）和磷化铟 (InP)。

砷化镓（GaAs）：砷化镓（GaAs）是第二代半导体材料的标志性产物之一，我们经常听说的的LED发光二极管，就有砷化镓（GaAs）参与。

砷化镓（GaAs）

磷化铟 (InP)：磷化铟 (InP)由金属铟和赤磷在石英管中加热反应制作，特点是耐高温、高频率和高速率，因此在通讯行业被广泛应用，用于制作通信器件。

第二代半导体可以说是4G时代的基盘，很多4G设备使用的材料都是基于第二代半导体材料打造。

第三代半导体：

第三代半导体同样属于化合物半导体材料，特点是高禁带宽度、高功率和高频以及高电压等，代表产品是，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。

碳化硅（SiC）：碳化硅（SiC）的特性有耐高温、耐高压，非常适合是做功率器件开关，如很多主板上高端MOSFET就是由碳化硅（SiC）制作的。

MOSFET

氮化镓（GaN）：氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）一样都是高禁带宽度半导体，特性是能耗低、适合高频率，适合打造5G基站，唯一的缺点就是技术成本过高，很难在商用领域看到。

目前国内比较流行推广第三代半导体的发展，原因是国内外起点差距小，还有竞争的机会。

注意事项：

虽然这些半导体材料被认为划分到为靠前代、第二代，听起来也像是迭代的产品，但其实这些靠前代、第二代、第三代半导体材料并不是替代关系，它们的特性不同，应用的场景也不一样，一二三代只是行业一种区分标识，只是根据材料进行了划分，有些场景化甚至会同时应用在一起。

以上就是半导体是做什么的？的详细内容，希望通过阅读小编的文章之后能够有所收获！