半导体

        半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。

        半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质称为半导体：  
        室温时电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm之间（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因上角标暂不可用，暂用当前方法描述），温度升高时电阻率则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 
        本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子- 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子- 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子- 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。
        物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。
        半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

半导体[1]五大特性∶掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。
★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。
★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。
晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。
共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。
自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。
空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。
电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。
空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。
本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。
载流子：运载电荷的粒子称为载流子。
导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。
本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。
复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。
动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。
载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。
结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。
杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。
P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半导体。
多数载流子：P型半导体中，空穴的浓度大于自由电子的浓度，称为多数载流子，简称多子。
少数载流子：P型半导体中，自由电子为少数载流子，简称少子。
受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
P型半导体的导电特性：它是靠空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。
N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半导体。
多子：N型半导体中，多子为自由电子。
少子：N型半导体中，少子为空穴。
施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
N型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。
结论：
多子的浓度决定于杂质浓度。
少子的浓度决定于温度。
PN结的形成：将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上在它们的交界面就形成PN结。
PN结的形成过程：如图所示，在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。
扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。
空间电荷区：由于扩散运动使得PN结交界面产生一片复合区域，可以说这里没有多子，因为刚刚扩散过来就会立刻与异性复合，此运动不断发生着（此处请专家斟酌）。从而少子唱主角。P区一侧出现负离子区，N区出现正离子区，它们基本上是固定的，称为空间电荷区。
电场形成：空间电荷区形成内电场。
空间电荷加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，阻止扩散运动的进行。
漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。
电位差：空间电荷区具有一定的宽度，形成电位差Uho，电流为零。
耗尽层：绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，称耗尽层。
PN结的特点：具有单向导电性。

 
        半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多（图2）。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能  
        量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称N型半导体（图3）。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。
        P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散，造成正负电荷在PN 结两侧的积累，形成电偶极层(图4 )。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时，P区和N区之间形成一定的电势差，称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。
        PN结具有单向导电性，半导体整流管就是利用PN结的这一特性制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势，称光生伏打效应，可利用来制造光电池。半导体三极管、可控硅、PN结光敏器件和发光二极管等半导体器件均利用了PN结的特性。
        PN结的单向导电性
        P端接电源的正极，N端接电源的负极称之为PN结正偏。此时PN结如同一个开关合上，呈现很小的电阻，称之为导通状态。
        P端接电源的负极，N端接电源的正极称之为PN结反偏，此时PN结处于截止状态，如同开关打开。结电阻很大，当反向电压加大到一定程度，PN结会发生击穿而损坏。
         半导体之所以能广泛应用在今日的数位世界中，凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性，这个过程称之为掺杂（doping）。掺杂进入本质半导体（intrinsic semiconductor）的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响。而掺杂过的半导体则称为外质半导体（extrinsic semiconductor）。
        哪种材料适合作为某种半导体材料的掺杂物（dopant）需视两者的原子特性而定。一般而言，掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施主（donor）与受主（acceptor）。施主原子带来的价电子（valence electrons）大多会与被掺杂的材料原子产生共价键，进而被束缚。而没有和被掺杂材料原子产生共价键的电子则会被施主原子微弱地束缚住，这个电子又称为施主电子。和本质半导体的价电子比起来，施主电子跃迁至传导带所需的能量较低，比较容易在半导体材料的晶格中移动，产生电流。虽然施主电子获得能量会跃迁至传导带，但并不会和本质半导体一样留下一个电洞，施主原子在失去了电子后只会固定在半导体材料的晶格中。因此这种因为掺杂而获得多余电子提供传导的半导体称为n型半导体（n-type semiconductor），n代表带负电荷的电子。
       和    施主相对的，受主原子进入半导体晶格后，因为其价电子数目比半导体原子的价电子数量少，等效上会带来一个的空位，这个多出的空位即可视为电洞。受主掺杂后的半导体称为p型半导体（p-type semiconductor），p代表带正电荷的电洞。
        以一个硅的本质半导体来说明掺杂的影响。硅有四个价电子，常用于硅的掺杂物有三价与五价的元素。当只有三个价电子的三价元素如硼（boron）掺杂至硅半导体中时，硼扮演的即是受主的角色，掺杂了硼的硅半导体就是p型半导体。反过来说，如果五价元素如磷（phosphorus）掺杂至硅半导体时，磷扮演施主的角色，掺杂磷的硅半导体成为n型半导体。
         一个半导体材料有可能先后掺杂施主与受主，而如何决定此外质半导体为n型或p型必须视掺杂后的半导体中，受主带来的电洞浓度较高或是施主带来的电子浓度较高，亦即何者为此外质半导体的“多数载子”（majority carrier）。和多数载子相对的是少数载子（minority carrier）。对于半导体元件的操作原理分析而言，少数载子在半导体中的行为有着非常重要的地位。

        掺杂物浓度对于半导体最直接的影响在于其载子浓度。在热平衡的状态下，一个未经掺杂的本质半导体，电子与电洞的浓度相等，如下列公式所示：
        n= p= ni其中n是半导体内的电子浓度、p则是半导体的电洞浓度，ni则是本质半导体的载子浓度。ni会随着材料或温度的不同而改变。对于室温下的硅而言，ni大约是1×10 cm。
        通常掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入传导带的电子数量会随着掺杂浓度提高而增加。掺杂浓度非常高的半导体会因为导电性接近金属而被广泛应用在今日的集成电路制程来取代部份金属。高掺杂浓度通常会在n或是p后面附加一上标的“+”号，例如n代表掺杂浓度非常高的n型半导体，反之例如p则代表轻掺杂的p型半导体。需要特别说明的是即使掺杂浓度已经高到让半导体“退化”（degenerate）为导体，掺杂物的浓度和原本的半导体原子浓度比起来还是差距非常大。以一个有晶格结构的硅本质半导体而言，原子浓度大约是5×10 cm，而一般集成电路制程里的掺杂浓度约在10 cm至10 cm之间。掺杂浓度在10 cm以上的半导体在室温下通常就会被视为是一个“简并半导体”（degenerated semiconductor）。重掺杂的半导体中，掺杂物和半导体原子的浓度比约是千分之一，而轻掺杂则可能会到十亿分之一的比例。在半导体制程中，掺杂浓度都会依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。

        掺杂之后的半导体能带会有所改变。依照掺杂物的不同，本质半导体的能隙之间会出现不同的能阶。施主原子会在靠近传导带的地方产生一个新的能阶，而受主原子则是在靠近价带的地方产生新的能阶。假设掺杂硼原子进入硅，则因为硼的能阶到硅的价带之间仅有0.045电子伏特，远小于硅本身的能隙1.12电子伏特，所以在室温下就可以使掺杂到硅里的硼原子完全解离化（ionize）。
        掺杂物对于能带结构的另一个重大影响是改变了费米能阶的位置。在热平衡的状态下费米能阶依然会保持定值，这个特性会引出很多其他有用的电特性。举例来说，一个p-n接面（p-n junction）的能带会弯折，起因是原本p型半导体和n型半导体的费米能阶位置各不相同，但是形成p-n接面后其费米能阶必须保持在同样的高度，造成无论是p型或是n型半导体的传导带或价带都会被弯曲以配合接面处的能带差异。
        上述的效应可以用能带图（band diagram）来解释，。在能带图里横轴代表位置，纵轴则是能量。图中也有费米能阶，半导体的本质费米能阶（intrinsic Fermi level）通常以Ei来表示。在解释半导体元件的行为时，能带图是非常有用的工具。

        为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。常见的品质问题包括晶格的错位（dislocation）、双晶面（twins），或是堆栈错误（stacking fault）都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的缺陷通常是影响元件性能的主因。
目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为裘可拉斯基制程（Czochralski process）。这种制程将一个单晶的晶种（seed）放入溶解的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。

     （1）产品开发能力
      顺应半导体工业的发展，一些比较先进的封装类型将具有较大的市场需求，与此相适应的引线框架产品的需求量将会逐年上升。引线框架生产企业需要投入巨额资金购买设备和进行技术研发，资金不够充裕、技术研发实力弱小的企业将随着中低端产品的需求量的下降而被市场淘汰。缺乏产品的设计开发能力，将难以适应市场不断变化的需求，难以取得较大的市场份额。
     （2）产品制造能力
      引线框架制造方法有冲压法和蚀刻法两种。冲压法可进行高速大批量低成本生产，但是需要具备较强的模具设计和制造能力，模具制造成本较高，不适合多脚位小批量生产；蚀刻法初期投资少，设计有机动性，适合新产品开发和多脚位、小间距、中小批量生产，但产品价格高，生产效率低，不适合大批量生产。
      目前我国引线框架企业大都采用冲压法对市场需求量较大的引线框架产品进行大批量生产。由于引线框架具有较高的精密度要求，企业的模具设计和制作能力决定了产品成率的高低，这些能力的取得需要依赖多年经验的积累。缺乏模具的设计和制造能力的企业难以适应市场需求变化。
      另一方面，随着人们环保意识提高，电子产品的环保要求也越来越高。随着世界各国纷纷出台电子产品的环保标准（例如欧盟的RoHS 指令、我国制定的《电子信息产品污染控制管理方法》等），绿色封装技术成为企业进入市场的通行证。新的生产工艺和方法对企业的产品创新能力提出更高的要求，提高了行业进入壁垒。
     （3）客户资源
      根据半导体行业的特性，产品在向下游企业供货前，必须先经过下游企业严格的合格供应商认证，认证标准通常远远高于国家或行业制定的标准，而且认证周期较长，一般在半年以上，严格的合格供应商认证制度使新企业进入行业难度增大。
     （4）资金需求量大
      引线框架行业属于资金密集型的行业，行业的进入需要较高的资金投入购买相关设备。近年来，引线框架的主要原材料铜带价格持续上涨，公司运营需要大量的流动资金，增加了行业新进入者的市场风险。

        1、有利因素
     （1）产业政策
        2011 年3 月，国家发展和改革委员会颁布的《产业结构调整指导目录（201年本）》明确了我国产业结构调整的方向和重点，其中将“半导体、光电子器件、新型电子元器件等电子产品用材料”列入鼓励类投资项目。
        2011 年12 月，国家发展改革委和商务部公布的《外商投资企业产业指导目录》（2011 年修订）将“电子专用材料开发与制造（光纤预制棒开发与制造除外）”列入鼓励外商投资产业目录。
        2012 年2 月，国家工业和信息化部颁布的《电子信息制造业“十二五”发展规划》中提出，在关键电子元器件和材料方面，积极发展用于支撑、装联和封装等使用的金属材料、非金属材料和高分子材料；在放光二极管（LED）方面，加大对封装结构设计、新封装材料、新工艺、荧光粉性能、散热机理的研究与开发。
        2012 年2 月，国家工业和信息化部颁布的《集成电路产业“十二五”发展规划》中提出，要加强12 英寸硅片、SOI、引线框架、光刻胶等关键材料的研发与产业化，支持国产集成电路关键设备和仪器、原材料在生产线上规模应用。
     （2）我国电子消费产品的市场巨大
        半导体产品主要应用领域包括计算机、消费电子、通信等。2008 年金融危机后，国家颁布了一系列措施促进国内需求增长，尤其是《电子信息产业调整和振兴规划》的颁布以及家电下乡、第三代移动通信网络、下一代互联网、数字广播电视网络、宽带光纤接入网络和数字化影院建设等一系列扩大内需措施的实施，电子信息产业的发展空间进一步拓展，直接拉动国内半导体相关产业发展。
     （3）产业转移
        经济全球化导致资本、技术、人员等生产要素在世界范围内大规模调整和重组，中国高速发展的经济，庞大的需求市场，日益完善的基础设施和较低的制造成本，以及先期进入的企业取得的良好发展业绩，进一步推动了全球IT产业向中国转移的步伐。在可预见的未来一段时间，全球经济结构调整与产业转移趋势仍将继续进行，对我国的产业转移还有很大的空间，为我国半导体产业提供了良好的发展机遇。国际半导体公司及半导体封装材料制造厂家向我国的转移，不仅扩大了我国半导体封装材料的市场规模，更将先进的技术带入我国，迅速提高我国半导体封装材料及半导体封装业的整体水平，必将带动行业的快速增长。
        2、不利因素
     （1）国内技术水平与国际技术水平存在差距
        目前，国际集成电路封装技术以BGA、CSP 为主流技术，而国内厂商则仍然以DIP、SOP、QFP 为主，产品以中、低端为主，发达国家在技术水平上占有优势。我国下游封装测试企业的技术水平决定了我国封装材料产品结构。目前我国引线框架产品主要以TO、DIP 等低脚数产品为主，高端引线框架产品无法自主生产或者无法进入高端封装测试企业的供应商行列。我国半导体行业的壁垒主要是技术壁垒，要在高端封装如BGA、CSP、SIP 等框架设计与制造上赶超国际先进水平，在技术、人才上有一定的困难。
     （2）原材料供应
       目前我国引线框架用铜合金带产品，在分立器件用引线框架铜带方面的生产和国外差距并不太大，但在集成电路用高端引线框架铜材的研究和生产方面还存在着较大的差距。主要表现为：一是合金材料的种类少、产品的规格少，不能和为数众多的电子封装材料相匹配；二是产品性能的均匀一致性及稳定性稍差，影响集成电路的性能可靠性和加工的高效化；三是对高精度带材产品的应用性能缺乏系统的研究，目缺乏系统的评价体系及简单易行的现场评价方法，影响其后续冲裁、电镀或蚀刻的使用。目前国内铜板带材高端产品尚需进口。
     （3）原材料价格波动剧烈
        铜带成本约占引线框架成本的70%，铜带的价格与金属铜的价格直接相关。近几年金属铜的价格波动幅度较大，对本行业内企业的生产经营产生一定负面影响。引线框架生产企业必须控制采购成本的同时，尽可能的研发、生产具有高附加值的产品，以降低原材料价格波动所带来的影响。