半導體

半導體

半導體( semiconductor),指常溫下導電性能介於導體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。半導體在收音機、電視機以及測溫上有著廣泛的套用。如二極體就是採用半導體製作的器件。半導體是指一種導電性可受控制,範圍可從絕緣體至導體之間的材料。無論從科技或是經濟發展的角度來看,半導體的重要性都是非常巨大的。今日大部分的電子產品,如計算機、行動電話或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關連。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化鎵等,而矽更是各種半導體材料中,在商業套用上最具有影響力的一種。

基本信息

定義

半導體半導體

物質存在的形式多種多樣,固體液體氣體電漿等等。我們通常把導電性差的材料,如煤、人工晶體琥珀陶瓷等稱為絕緣體。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。可以簡單的把介於導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。與導體和絕緣體相比,半導體材料的發現是最晚的,直到20世紀30年代,當材料的提純技術改進以後,半導體的存在才真正被學術界認可。

本徵半導體:不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半導體。在極低溫度下,半導體的價帶是滿帶(見能帶理論),受到熱激發後,價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶,空帶中存在電子後成為導帶,價帶中缺少一個電子後形成一個帶正電的空位,稱為空穴。空穴導電並不是實際運動,而是一種等效。電子導電時等電量的空穴會沿其反方向運動。它們在外電場作用下產生定向運動而形成巨觀電流,分別稱為電子導電空穴導電。這種由於電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本徵導電。導帶中的電子會落入空穴,電子-空穴對消失,稱為複合。複合時釋放出的能量變成電磁輻射(發光)或晶格的熱振動能量(發熱)。在一定溫度下,電子-空穴對的產生和複合同時存在並達到動態平衡,此時半導體具有一定的載流子密度,從而具有一定的電阻率。溫度升高時,將產生更多的電子-空穴對,載流子密度增加,電阻率減小。無晶格缺陷的純淨半導體的電阻率較大,實際套用不多。

分類

半導體半導體

半導體材料很多,按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。鍺和矽是最常用的元素半導體;化合物半導體包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化鎵、磷化鎵等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物(硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體(鎵鋁砷、鎵砷磷等)。除上述晶態半導體外,還有非晶態的玻璃半導體、有機半導體等。

半導體的分類,按照其製造技術可以分為:積體電路器件,分立器件、光電半導體、邏輯IC、模擬IC、儲存器等大類,一般來說這些還會被分成小類。此外還有以套用領域、設計方法等進行分類,雖然不常用,但還是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其規模進行分類的方法。此外,還有按照其所處理的信號,可以分成模擬、數字、模擬數字混成及功能進行分類的方法。

相關短語

導體Semiconductor;intrinsic semiconductor

有機半導體[電子] organic semiconductor;TCNQ;OSTS

半導體晶體[電子] semiconductor crystal;[電子] semiconducting crystal;[電子] crystal semiconducting;[電子] Crystal Semiconductor

純半導體intrinsic semiconductor;pure semiconductor

半導體玻璃semiconducting glass;semiconductorglass

半導體整流semiconductor rectifier;semiconductor rectifier,semiconductor rectifier

離子半導體ionic semiconductor

半導體晶片semiconductor chips;conductor chip;semiconductor pellet;semiconductor chip,semiconductor chip

半導體製冷semiconductor refrigeration;Semi-conductor refrigerant;Semiconductor Cooling;

晶格:晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣,稱為晶格。

共價鍵結構:相鄰的兩個原子的一對最外層電子(即價電子)不但各自圍繞自身所屬的原子核運動,而且出現在相鄰原子所屬的軌道上,成為共用電子,構成共價鍵。

自由電子的形成:在常溫下,少數的價電子由於熱運動獲得足夠的能量,掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。

空穴:價電子掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個空位置稱空穴。

電子電流:在外加電場的作用下,自由電子產生定向移動,形成電子電流

空穴電流:自由電子按一定的方向依次填補空穴(即空穴也產生定向移動),形成空穴電流。

本徵半導體的電流:電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同,它們運動方向相反。

載流子:運載電荷的粒子稱為載流子。

導體電的特點:導體導電只有一種載流子,即自由電子導電。

本徵半導體電的特點:本徵半導體有兩種載流子,即自由電子和空穴均參與導電。

本徵激發:半導體在熱激發下產生自由電子和空穴的現象稱為本徵激發。

複合:自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴,使兩者同時消失,這種現象稱為複合。

動態平衡:在一定的溫度下,本徵激發所產生的自由電子與空穴對,與複合的自由電子與空穴對數目相等,達到動態平衡。

載流子的濃度與溫度的關係:溫度一定,本徵半導體中載流子的濃度是一定的,並且自由電子與空穴的濃度相等。當溫度升高時,熱運動加劇,掙脫共價鍵束縛的自由電子增多,空穴也隨之增多(即載流子的濃度升高),導電性能增強;當溫度降低,則載流子的濃度降低,導電性能變差。

結論:本徵半導體的導電性能與溫度有關。半導體材料性能對溫度的敏感性,可製作熱敏和光敏器件,又造成半導體器件溫度穩定性差的原因。

雜質半導體:通過擴散工藝,在本徵半導體中摻入少量合適的雜質元素,可得到雜質半導體。

P型半導體:在純淨的矽晶體中摻入三價元素(如硼),使之取代晶格中矽原子的位置,就形成了P型半導體。

多數載流子:P型半導體中,空穴的濃度大於自由電子的濃度,稱為多數載流子,簡稱多子。

少數載流子:P型半導體中,自由電子為少數載流子,簡稱少子。

受主原子:雜質原子中的空位吸收電子,稱受主原子

P型半導體的導電特性:它是靠空穴導電,摻入的雜質越多,多子(空穴)的濃度就越高,導電性能也就越強。

N型半導體:在純淨的矽晶體中摻入五價元素(如磷),使之取代晶格中矽原子的位置形成N型半導體。

多子:N型半導體中,多子為自由電子。

少子:N型半導體中,少子為空穴。

施主原子:雜質原子可以提供電子,稱施主原子。

N型半導體的導電特性:摻入的雜質越多,多子(自由電子)的濃度就越高,導電性能也就越強。

結論:

多子的濃度主要決定於雜質濃度。

少子的濃度主要決定於溫度。

PN結的形成過程PN結的形成過程

PN結的形成:將P型半導體與N型半導體製作在同一塊矽片上,

在它們的交界面就形成PN結。

PN結的形成過程:如圖所示,在無外電場和其它激發作用下,參與擴散運動的多子數目等於參與漂移運動的少子數目,從而達到動態平衡,形成PN結。

擴散運動:物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動,這種由於濃度差而產生的運動稱為擴散運動。

空間電荷區:由於擴散運動使得PN結交界面產生一片複合區域,可以說這裡沒有多子,也沒有少子。因為剛剛擴散過來就會立刻與異性複合,此運動不斷發生著(此處請專家斟酌)。P區一側出現負離子區,N區出現正離子區,它們基本上是固定的,稱為空間電荷區。

電場形成:空間電荷區形成內電場。

空間電荷加寬,內電場增強,其方向由N區指向P區,阻止擴散運動的進行。

漂移運動:在電場力作用下,載流子的運動稱漂移運動。

電位差:空間電荷區具有一定的寬度,形成電位差Uho,電流為零。

耗盡層:絕大部分空間電荷區內自由電子和空穴的數目都非常少,在分析PN結時常忽略載流子的作用,而只考慮離子區的電荷,稱耗盡層。

PN結的特點:具有單嚮導電性。

發展歷史

半導體的發現實際上可以追溯到很久以前。

1833年,英國科學家電子學之父法拉第最先發現硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同於一般金屬,一般情況下,金屬的電阻隨溫度升高而增加,但巴拉迪發現硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。

不久,1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結,在光照下會產生一個電壓,這就是後來人們熟知的光生伏特效應,這是被發現的半導體的第二個特徵。

發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應,這是半導體又一個特有的性質。半導體的這四個效應,(jianxia霍爾效應的余績──四個伴生效應的發現)雖在1880年以前就先後被發現了,但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。

在1874年,德國布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關,即它的導電有方向性,在它兩端加一個正向電壓,它是導通的;如果把電壓極性反過來,它就不導電,這就是半導體的整流效應,也是半導體所特有的第三種特性。同年,舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。

很多人會疑問,為什麼半導體被認可需要這么多年呢?主要原因是當時的材料不純。沒有好的材料,很多與材料相關的問題就難以說清楚。如果感興趣可以讀一下Robert W.Cahn的The coming of Materials Science中關於半導體的一些說明。

特點

半導體半導體

半導體五大特性∶摻雜性,熱敏性,光敏性,負電阻率溫度特性,整流特性。

1.在形成晶體結構的半導體中,人為地摻入特定的雜質元素,導電性能具有可控性。

2.在光照和熱輻射條件下,其導電性有明顯的變化。

特性曲線

伏安特性曲線:加在PN結兩端的電壓和流過二極體的電流之間的關係曲線稱為伏安特性曲線。如圖所示:

PN伏安特性PN伏安特性

正向特性:u>0的部分稱為正向特性。

反向特性:u<0的部分稱為反向特性。

反向擊穿:當反向電壓超過一定數值U(BR)後,反向電流急劇增加,稱之反向擊穿。

勢壘電容:耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容Cb。

變容二極體:當PN結加反向電壓時,Cb明顯隨u的變化而變化,而製成各種變容二極體。如下圖所示。

平衡少子:PN結處於平衡狀態時的少子稱為平衡少子。

非平衡少子:PN結處於正向偏置時,從P區擴散到N區的空穴和從N區擴散到P區的自由電子均稱為非平衡少子。

擴散電容:擴散區內電荷的積累和釋放過程與電容器充、放電過程相同,這種電容效應稱為Cd。

結電容:勢壘電容與擴散電容之和為PN結的結電容Cj。

雜質

簡介

N型半導體結構圖N型半導體結構圖

半導體中的雜質對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質時,雜質原子附近的周期勢場受到干擾並形成附加的束縛狀態,在禁帶中產生附加的雜質能級。例如四價元素鍺或矽晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質原子時,雜質原子作為晶格的一分子,其五個價電子中有四個與周圍的鍺(或矽)原子形成共價結合,多餘的一個電子被束縛於雜質原子附近,產生類氫能級。雜質能級位於禁帶上方靠近導帶底附近。雜質能級上的電子很易激發到導帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質稱為施主,相應能級稱為施主能級。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激發到導帶所需能量小得多(圖2)。在鍺或矽晶體中摻入微量三價元素硼、鋁、鎵等雜質原子時,雜質原子與周圍四個鍺(或矽)原子形成共價結合時尚缺少一個電子,因而存在一個空位,與此空位相應的能量狀態就是雜質能級,通常位於禁帶下方靠近價帶處。價帶中的電子很易激發到雜質能級上填補這個空位,使雜質原子成為負離子。價帶中由於缺少一個電子而形成一個空穴載流子。這種能提供空穴的雜質稱為受主雜質。存在受主雜質時,在價帶中形成一個空穴載流子所需能量比本徵半導體情形要小得多。半導體摻雜後其電阻率大大下降。加熱或光照產生的熱激發或光激發都會使自由載流子數增加而導致電阻率減小,半導體熱敏電阻和光敏電阻就是根據此原理製成的。對摻入施主雜質的半導體,導電載流子主要是導帶中的電子,屬電子型導電,稱N型半導體(圖3)。摻入受主雜質的半導體屬空穴型導電,稱P型半導體。半導體在任何溫度下都能產生電子-空穴對,故N型半導體中可存在少量導電空穴,P型半導體中可存在少量導電電子,它們均稱為少數載流子。在半導體器件的各種效應中,少數載流子常扮演重要角色

PN結

P型半導體與N型半導體相互接觸時,其交界區域稱為PN結。P區中的自由空穴和N區中的自由電子要向對方區域擴散,造成正負電荷在PN 結兩側的積累,形成電偶極層(圖4 )。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當由於載流子數密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時,P區和N區之間形成一定的電勢差,稱為接觸電勢差。由於P 區中的空穴向N區擴散後與N區中的電子複合,而N區中的電子向P區擴散後與P 區中的空穴複合,這使電偶極層中自由載流子數減少而形成高阻層,故電偶極層也叫阻擋層,阻擋層的電阻值往往是組成PN結的半導體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。

PN結具有單嚮導電性,半導體整流管就是利用PN結的這一特性製成的。PN結的另一重要性質是受到光照後能產生電動勢,稱光生伏打效應,可利用來製造光電池。半導體三極體、可控矽、PN結光敏器件和發光二極體等半導體器件均利用了PN結的特性。

PN結的單嚮導電性

P端接電源的正極,N端接電源的負極稱之為PN結正偏。此時PN結如同一個開關合上,呈現很小的電阻,稱之為導通狀態。

P端接電源的負極,N端接電源的正極稱之為PN結反偏,此時PN結處於截止狀態,如同開關打開。結電阻很大,當反向電壓加大到一定程度,PN結會發生擊穿而損壞。

摻雜物

半導體之所以能廣泛套用在今日的數位世界中,憑藉的就是其能藉由在其晶格中植入雜質改變其電性,這個過程稱之為摻雜(doping)。摻雜進入本質半導體(intrinsic semiconductor)的雜質濃度與極性皆會對半導體的導電特性產生很大的影響。而摻雜過的半導體則稱為外質半導體(extrinsic semiconductor)。

摻雜物

哪種材料適合作為某種半導體材料的摻雜物(dopant)需視兩者的原子特性而定。一般而言,摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負被區分為施主(donor)與受主(acceptor)。施主原子帶來的價電子(valence electrons)大多會與被摻雜的材料原子產生共價鍵,進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產生共價鍵的電子則會被施主原子微弱地束縛住,這個電子又稱為施主電子。和本質半導體的價電子比起來,施主電子躍遷傳導帶所需的能量較低,比較容易在半導體材料的晶格中移動,產生電流。雖然施主電子獲得能量會躍遷至傳導帶,但並不會和本質半導體一樣留下一個電洞,施主原子在失去了電子後只會固定在半導體材料的晶格中。因此這種因為摻雜而獲得多餘電子提供傳導的半導體稱為n型半導體(n-type semiconductor),n代表帶負電荷的電子。

和施主相對的,受主原子進入半導體晶格後,因為其價電子數目比半導體原子的價電子數量少,等效上會帶來一個的空位,這個多出的空位即可視為電洞。受主摻雜後的半導體稱為p型半導體(p-type semiconductor),p代表帶正電荷的電洞。

以一個矽的本質半導體來說明摻雜的影響。矽有四個價電子,常用於矽的摻雜物有三價與五價的元素。當只有三個價電子的三價元素如硼(boron)摻雜至矽半導體中時,硼扮演的即是受主的角色,摻雜了硼的矽半導體就是p型半導體。反過來說,如果五價元素如磷(phosphorus)摻雜至矽半導體時,磷扮演施主的角色,摻雜磷的矽半導體成為n型半導體。

一個半導體材料有可能先後摻雜施主與受主,而如何決定此外質半導體為n型或p型必須視摻雜後的半導體中,受主帶來的電洞濃度較高或是施主帶來的電子濃度較高,亦即何者為此外質半導體的“多數載子”(majority carrier)。和多數載子相對的是少數載子(minority carrier)。對於半導體元件的操作原理分析而言,少數載子在半導體中的行為有著非常重要的地位。

載子濃度

摻雜物濃度對於半導體最直接的影響在於其載子濃度。在熱平衡的狀態下,一個未經摻雜的本質半導體,電子與電洞的濃度相等,如下列公式所示:

n=p=ni其中n是半導體內的電子濃度、p則是半導體的電洞濃度,ni則是本質半導體的載子濃度。ni會隨著材料或溫度的不同而改變。對於室溫下的矽而言,ni大約是1×10 cm。

通常摻雜濃度越高,半導體的導電性就會變得越好,原因是能進入傳導帶的電子數量會隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導體會因為導電性接近金屬而被廣泛套用在今日的積體電路製程來取代部份金屬。高摻雜濃度通常會在n或是p後面附加一上標的“+”號,例如n代表摻雜濃度非常高的n型半導體,反之例如p則代表輕摻雜的p型半導體。需要特別說明的是即使摻雜濃度已經高到讓半導體“退化”(degenerate)為導體,摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比起來還是差距非常大。以一個有晶格結構的矽本質半導體而言,原子濃度大約是5×10 cm,而一般積體電路製程里的摻雜濃度約在10 cm至10 cm之間。摻雜濃度在10 cm以上的半導體在室溫下通常就會被視為是一個“簡併半導體”(degenerated semiconductor)。重摻雜的半導體中,摻雜物和半導體原子的濃度比約是千分之一,而輕摻雜則可能會到十億分之一的比例。在半導體製程中,摻雜濃度都會依照所製造出元件的需求量身打造,以合於使用者的需求。

摻雜對結構的影響

摻雜之後的半導體能帶會有所改變。依照摻雜物的不同,本質半導體的能隙之間會出現不同的能階。施主原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新的能階,而受主原子則是在靠近價帶的地方產生新的能階。假設摻雜硼原子進入,則因為硼的能階到矽的價帶之間僅有0.045電子伏特,遠小於矽本身的能隙1.12電子伏特,所以在室溫下就可以使摻雜到矽里的硼原子完全解離化(ionize)。

摻雜物對於能帶結構的另一個重大影響是改變了費米能階的位置。在熱平衡的狀態下費米能階依然會保持定值,這個特性會引出很多其他有用的電特性。舉例來說,一個p-n接面(p-n junction)的能帶會彎折,起因是原本p型半導體和n型半導體的費米能階位置各不相同,但是形成p-n接面後其費米能階必須保持在同樣的高度,造成無論是p型或是n型半導體的傳導帶或價帶都會被彎曲以配合接面處的能帶差異。

上述的效應可以用能帶圖(band diagram)來解釋,。在能帶圖里橫軸代表位置,縱軸則是能量。圖中也有費米能階,半導體的本質費米能階(intrinsic Fermi level)通常以Ei來表示。在解釋半導體元件的行為時,能帶圖是非常有用的工具。

半導體材料的製造

為了滿足量產上的需求,半導體的電性必須是可預測並且穩定的,因此包括摻雜物的純度以及半導體晶格結構的品質都必須嚴格要求。常見的品質問題包括晶格的錯位(dislocation)、雙晶面(twins),或是堆疊錯誤(stacking fault)都會影響半導體材料的特性。對於一個半導體元件而言,材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。

目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基製程(Czochralski process)。這種製程將一個單晶的晶種(seed)放入溶解的同材質液體中,再以鏇轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時,溶質將會沿著固體和液體的接口固化,而鏇轉則可讓溶質的溫度均勻。

半導體與積體電路的關係

半導體是指導電性能介於導體和絕緣體之間的材料。我們知道,電路之所以具有某種功能,主要是因為其內部有電流的各種變化,而之所以形成電流,主要是因為有電子在金屬線路和電子元件之間流動(運動/遷移)。所以,電子在材料中運動的難易程度,決定了其導電性能。常見的金屬材料在常溫下電子就很容易獲得能量發生運動,因此其導電性能好;絕緣體由於其材料本身特性,電子很難獲得導電所需能量,其內部很少電子可以遷移,因此幾乎不導電。而半導體材料的導電特性則介於這兩者之間,並且可以通過摻入雜質來改變其導電性能,人為控制它導電或者不導電以及導電的容易程度。這一點稱之為半導體的可摻雜特性。

前面說過,積體電路的基礎是電晶體,發明了電晶體才有可能創造出積體電路,而電晶體的基礎則是半導體,因此半導體也是積體電路的基礎。半導體之於積體電路,如同土地之於城市。很明顯,山地、丘陵多者不適合建造城市,沙化土壤、石灰岩多的地方也不適合建造城市。“建造”城市需要選一塊好地,“集成”電路也需要一塊合適的基礎材料——就是半導體。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化鎵(化合物),其中套用最廣的、商用化最成功的當推“矽”。

那么半導體,特別是矽,為什麼適合製造積體電路呢?有多方面的原因。矽是地殼中最豐富的元素,僅次於氧。自然界中的岩石、砂礫等存在大量矽酸鹽或二氧化矽,這是原料成本方面的原因。矽的可摻雜特性容易控制,容易製造出符合要求的電晶體,這是電路原理方面的原因。矽經過氧化所形成的二氧化矽性能穩定,能夠作為半導體器件中所需的優良的絕緣膜使用,這是器件結構方面的原因。最關鍵的一點還是在於積體電路的平面工藝,矽更容易實施氧化、光刻、擴散等工藝,更方便集成,其性能更容易得到控制。因此後續主要介紹的也是基於矽的積體電路知識,對矽電晶體和積體電路工藝有了解後,會更容易理解這個問題。

除了可摻雜性之外,半導體還具有熱敏性、光敏性、負電阻率溫度、可整流等幾個特性,因此半導體材料除了用於製造大規模積體電路之外,還可以用於功率器件、光電器件、壓力感測器、熱電製冷等用途;利用微電子的超微細加工技術,還可以製成MEMS(微機械電子系統),套用在電子、醫療領域。

半導體設備

2000年以來,全球Fabless公司吸引的風險投資以平均每年16%的速度減少,新成立的設計公司越來越少,領先的公司通過積累與併購不斷擴大規模,全球前50位的設計公司占據該領域超過90%的市場份額。

從半導體設備供應商的角度來看,全球整合帶來的的挑戰更多更大。在商業上,由於半導體製造產能投資越來越集中於全球前幾名的半導體製造商,半導體設備供應商所面對的客戶也趨於集中,如2010年時全球前5位的半導體廠商資本支出總和占全球的49%,而在2012年這個數字會上升到63%。設備商在面對占據其市場巨大份額的大客戶時,所面臨到的議價壓力和對於服務的高要求自然不言而喻。其實,支出集中也來自於整合,要保持擁有最先進的製造工廠,半導體製造商需要擴大其規模以保證達到一定量的銷售額(RevenueThresh-old)來維持先進產能的持續投資。

另一方面,整個全球半導體設備市場規模並沒有隨半導體市場同步成長,半導體製造商投入在半導體設備上的支出相對在減少。如圖2所示,在1991年到2000年的10年間,全球半導體設備支出與半導體市場之比平均值為17.2%,在2001年到2010年比值的平均值為14.3%,而近兩年這個比值降到了12%~13%。

但是在技術層面上,半導體製造商對於半導體設備商提出了更多需求。為了實現更多的晶片功能,以“MorethanMoore”的方式為產品添加更多附加值,半導體製造商對設備提出了更加多樣化的要求,如MEMS、TSV、Ⅲ-Ⅴ族元素等套用都需要設備製造商分別進行研發來改造現有設備機型以符合客戶要求。另一方面,沿著摩爾定律微縮的道路也正在進行著,設備製造商需要投入大量精力與資金以支持最前沿的研究。

設備供應商在面對全球市場環境和技術壓力下,應對的方式之一也是整合。為了提高生產效率和研發效率,未來在每一步半導體生產技術中經過整合留存下來的設備供應商可能只有2~3家。

這兩三家廠商之間,和其他生產環節的設備供應商之間,和半導體製造商之間,和材料供應商之間,和設備子系統廠商(如光學系統、真空泵、電源系統等)都需要密切的合作才有可能共同研發出改變世界的“破壞性”的技術。全球整合不可避免,不過在任何市場狀況下都尋求創新是半導體產業生生不息的原動力。

醫療電子半導體

維持身體健康一定得要仰賴醫生嗎?隨著科技進步,醫療行為正從醫院走出,轉而進入網際網路家庭,讓現代人的就醫習慣和醫療設備市場正面臨巨大轉變。

21世紀最具發展潛力的明星產業

根據市場研究機構Databeans預測,至2011年醫療電子用半導體產值將超過40億美元,以家用市場成長速度最快,平均年成長率高達12%。另一研究機構BCCResearch的最新調查報告也指出,全球家用醫療設備市場規模將從2007年的146億美元,至2012年時成長到204億美元,年成長率(CAGR)將達到6.8%。輔助復健、治療裝置、監視/感測器與遙測裝置等,成為家用電子醫療市場的大頭,光以血糖測量儀來看在2007年就有70億美元商機,而到了2012年將成長到89億美元;而有益健康的家用醫療裝置,預估更將大舉成長25%。

全球醫療電子市場的熱鬧,受到以下趨勢所影響:(1)人口老齡化。(2)已開發國家和開發中國家的人們對於增進健康照顧的期望持續增加。(3)保險公司和僱主在醫療開銷的支付和保險範圍逐漸消減,但受保人或病患需繳納的費用卻日益增加。(4)日新月異的科技可針對許多症狀較輕微的疾病,給予早期分析、預防與治療。

其中,人口老齡化是推動家用醫療電子發展的主力之一,也是全世界各國都面臨的問題。根據聯合國報告指出,公元2000年全球老年人口達6億人,預估至2050年將增至20億,老年人口比例將高達21%。人口數最多的中國,同樣也將擁有最多的老年人口。根據國家統計局發布的數據顯示,2007年65歲及以上人口占全國總人口的比重達到8.1%,估計到2025年,老年人口將從現在的1億4千6百萬,增加到2億9千萬人。

BCC分析報告也指出,若以區域性來看家用醫療電子市場的銷售額百分比,美國與加拿大目前是最大、也是成長最快的市場,占有全球市場的34.2%;而藥品和醫療器械產品在其醫藥總產值中各占一半的歐盟占28.9%;包含中國在內的其它二十個開發中國家,則占市場比例的22.8%。

從生病了才看醫生的治療,到預防疾病的預防,在電子科技的推波助瀾之下,保健醫學將是未來的顯學。不但大型的醫院用治療儀也逐漸朝攜帶型、經濟型家用康復治療器的方向發展,例如,全自動體外電擊器(AutomatedExternalDefibrillator,AED)、生育監測儀(FertilityMonitoringDevice)等;每個家庭也會將家庭醫療與保健視為必要的投資,選購家用醫療電子設備就像選購電視與冰櫃等家電般平常。

以上種種因素,讓家用醫療電子設備被美國《財富》雜誌預測為21世紀前十年最具發展潛力的產業的第一名,也成為半導體廠商搶進的重點市場。

全球半導體廠商積極投入

目前家用醫療電子市場的主要供貨商包括強生(Johnson&Johnson)、羅氏診斷(RocheDiagnostics)與拜耳醫療保健事業(BayerHealthcare)三大龍頭,並且都擁有超過10%的市場占有率,其中強生更以37%的市占率穩居首位。近年來,全球半導體、硬體與軟體等代表性的大公司動作頻頻,進行垂直整合的計畫性投入,包括微軟、英特爾、飛利浦等廠商,已開始將焦點移到家用醫療電子市場,希望以高新技術與成本優勢切入原本封閉的醫療產業,局勢漸漸有所不同。

先是英特爾成立數字醫療事業部(DigitalHealthGroup),並與美國微芯科技(Microchip)宣布成立醫療產品部門,再與醫療器材製造商合作,陸續發表醫療用相關感測晶片與技術;德州儀器也於2007年初,在其高效能模擬事業群下成立醫療/高可靠性產品線,集中所有可用於醫療電子的相關產品;飛利浦在新加坡成立亞太第一座醫療診斷設備學習中心,強化在亞太地區對先進醫療保健的投入;而韓國三星集團旗下的三星首爾醫院,則廣泛套用了三星電子自行開發的醫療系統。

半導體廠商目前著墨的醫療套用領域包括移植設備(心律調整、神經刺激、藥物供給和肥胖治療)、攜帶型設備(診斷影像、氧氣治療和病人監護)、家用設備(生理監視器、疾病管理、康復、遵守監督和醫療信息終端)及安全設備(耗材鑑定和數據保密),以及無線技術(如Bluetooth和IrDA)與RFID等。

為了能儘快進入醫療市場,英特爾、三星電子、德州儀器、松下、摩托羅拉與飛利浦等大廠,也共組開放性業界聯盟ContinuaHealthAlliance,希望通過合力建構統一標準來解決互通性問題,並降低研發成本、提升醫療技術與質量。該聯盟勾勒了包括健身、疾病管理和老年人保健系統的市場遠景,認為這些系統都將相互連線並通過PC、手機和數位電視連線到網路,預計在今年年底推出第一批具備互通性的相關商品。

根據專業研究機構Databeans最新的報告內容,2007年醫療半導體市場由Toshiba、意法半導體與德州儀器等大廠所獨占。然而隨著更多新興的需求增加,越來越多其它供貨商正逐漸分食這塊市場大餅。由於產品設計對於更小尺寸、更低功耗與更高速度的要求提高,因此感測器、電源晶片、數據轉換器等為是醫療電子需求最大的半導體器件;而信號調節和處理、接口以及無線技術,為最看好的新興產品領域。預估2008年電子醫療的銷售總額將達到30億美元。

然而,產業鏈若要完備當然還需要軟體廠商的支持,其中以甲骨文(Oracle)及德國思愛普(SAP)最為積極,持續研發多項相關軟體平台,希望符合各硬體大廠所推出的醫療產品及規格,解決互通性的問題,促進市場成熟。

診斷與治療為醫療電子現階段最主要的套用範疇,不過快速成長的家用醫療電子市場,才是半導體供貨商最看好的商機焦點。尤其在開發中國家市場,家用醫療設備是逞可能成長更為快速。開發中國加經濟起飛、所得翻升數十倍,但人們花費在在醫療的開支也相對的節節高升。然而,傳統的醫療基礎設施不一定能滿足現有需求,而且建設與醫療成本皆高昂,人力資源也不一定足夠,因此有市場分析師認為,家用醫療電子設備可能如手機般,以跳躍式的成長,在短期間內獲得實現。

家用醫療設備將走消費性電子路線

醫療裝置與電子技術的革新及整合,讓人們可以居家照顧並監測自己的健康狀況,不需完全仰賴醫護人員或住進醫院。家用醫療電子裝置與系統主要為預防導向,並由消費者的需求所主導,這些智慧型型裝置的使用接口親和,甚至可穿在身上、記錄病患信息,並且能透過無線網路傳送,不僅有益人們及早發現健康問題,也能協助醫生有效率的掌握病患狀況。

試著想像當我們刷牙時,牙刷中的生化感測器可以立即檢查血糖與口腔細菌數,握住牙刷的刷柄就可以將我們個人醫療信息傳送到資料庫中。此外,戴上嵌有微電腦螢幕的眼鏡,便可以幫助記得東西放的位置和其它人的信息,這些都是家用醫療電子正在研發的裝置。未來,也許連我們貼在傷口的繃帶都能以光纖製作並偵測病毒或細菌數量,主動提醒我們更換;或者,還有能夠發現並摧毀成為腫瘤的癌細胞的設備,以及藥品調配的設備等,這意味著未來許多治療及診斷性的醫療設備,可以朝“消費性商品”的角度發展,同時也能刺激更多廠商開發智慧型型且易於攜帶、使用的消費性電子醫療器材。

半導體廠商的投入與技術研發,希冀未來每個人都可以用更便利與經濟的方式,照顧自己的健康,甚至在意外發生或危難時,在醫護人員尚未到達時,可以作為救援自己或別人的幫手。

套用

半導體半導體

最早的實用“半導體”是「電晶體(Transistor)/二極體(Diode)」。

一、在無線電收音機(Radio)及電視機(Television)中,作為“訊號放大器/整流器”用。

二、發展「太陽能(Solar Power)」,也用在「光電池(Solar Cell)」中。

三、半導體可以用來測量溫度,測溫範圍可以達到生產、生活、醫療衛生、科研教學等套用的70%的領域,有較高的準確度和穩定性,解析度可達0.1℃,甚至達到0.01℃也不是不可能,線性度0.2%,測溫範圍-100~+300℃,是性價比極高的一種測溫元件。

四、半導體致冷器的發展, 它也叫熱電致冷器或溫差致冷器, 它採用了帕爾貼效應

命名

PN結的形成過程PN結的形成過程

中國半導體器件型號命名方法

半導體器件型號由五部分(場效應器件、半導體特殊器件、複合管、PIN型管、雷射器件的型號命名只有第三、四、五部分)組成。五個部分意義如下:

第一部分:用數字表示半導體器件有效電極數目。2-二極體、3-三極體

第二部分:用漢語拼音字母表示半導體器件的材料和極性。表示二極體時:A-N型鍺材料、B-P型鍺材料、C-N型矽材料、D-P型矽材料。表示三極體時:A-PNP型鍺材料、B-NPN型鍺材料、C-PNP型矽材料、D-NPN型矽材料。

第三部分:用漢語拼音字母表示半導體器件的內型。P-普通管、V-微波管、W-穩壓管、C-參量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光電器件、K-開關管、X-低頻小功率管(F<3MHz,Pc<1W)、G-高頻小功率管(f>3MHz,Pc<1W)、D-低頻大功率管(f<3MHz,Pc>1W)、A-高頻大功率管(f>3MHz,Pc>1W)、T-半導體晶閘管(可控整流器)、Y-體效應器件、B-雪崩管、J-階躍恢復管、CS-場效應管、BT-半導體特殊器件、FH-複合管、PIN-PIN型管、JG-雷射器件。

第四部分:用數字表示序號

第五部分:用漢語拼音字母表示規格號

例如:3DG18表示NPN型矽材料高頻三極體

日本半導體分立器件型號命名方法

日本生產的半導體分立器件,由五至七部分組成。通常只用到前五個部分,其各部分的符號意義如下:

第一部分:用數字表示器件有效電極數目或類型。0-光電(即光敏)二極體三極體及上述器件的組合管、1-二極體、2三極或具有兩個pn結的其他器件、3-具有四個有效電極或具有三個pn結的其他器件、┄┄依此類推。

第二部分:日本電子工業協會JEIA註冊標誌。S-表示已在日本電子工業協會JEIA註冊登記的半導體分立器件。

第三部分:用字母表示器件使用材料極性和類型。A-PNP型高頻管、B-PNP型低頻管、C-NPN型高頻管、D-NPN型低頻管、F-P控制極可控矽、G-N控制極可控矽、H-N基極單結電晶體、J-P溝道場效應管、K-N 溝道場效應管、M-雙向可控矽。

第四部分:用數字表示在日本電子工業協會JEIA登記的順序號。兩位以上的整數-從“11”開始,表示在日本電子工業協會JEIA登記的順序號;不同公司的性能相同的器件可以使用同一順序號;數字越大,越是近期產品。

第五部分:用字母表示同一型號的改進型產品標誌。A、B、C、D、E、F表示這一器件是原型號產品的改進產品。

美國半導體分立器件型號命名方法

美國電晶體或其他半導體器件的命名法較混亂。美國電子工業協會半導體分立器件命名方法如下:

第一部分:用符號表示器件用途的類型。JAN-軍級、JANTX-特軍級、JANTXV-超特軍級、JANS-宇航級、(無)-非軍用品。

第二部分:用數字表示pn結數目。1-二極體、2=三極體、3-三個pn結器件、n-n個pn結器件。

第三部分:美國電子工業協會(EIA)註冊標誌。N-該器件已在美國電子工業協會(EIA)註冊登記。

第四部分:美國電子工業協會登記順序號。多位數字-該器件在美國電子工業協會登記的順序號。

第五部分:用字母表示器件分檔。A、B、C、D、┄┄-同一型號器件的不同檔別。如:JAN2N3251A表示PNP矽高頻小功率開關三極體,JAN-軍級、2-三極體、N-EIA 註冊標誌、3251-EIA登記順序號、A-2N3251A檔。

國際電子聯合會半導體型號命名方法

德國、法國、義大利、荷蘭、比利時等歐洲國家以及匈牙利、羅馬尼亞、南斯拉夫、波蘭等東歐國家,大都採用國際電子聯合會半導體分立器件型號命名方法。這種命名方法由四個基本部分組成,各部分的符號及意義如下:

第一部分:用字母表示器件使用的材料。A-器件使用材料的禁頻寬度Eg=0.6~1.0eV 如鍺、B-器件使用材料的Eg=1.0~1.3eV 如矽、C-器件使用材料的Eg>1.3eV 如砷化鎵、D-器件使用材料的Eg<0.6eV 如銻化銦、E-器件使用複合材料及光電池使用的材料

第二部分:用字母表示器件的類型及主要特徵。A-檢波開關混頻二極體、B-變容二極體、C-低頻小功率三極體、D-低頻大功率三極體、E-隧道二極體、F-高頻小功率三極體、G-複合器件及其他器件、H-磁敏二極體、K-開放磁路中的霍爾元件、L-高頻大功率三極體、M-封閉磁路中的霍爾元件、P-光敏器件、Q-發光器件、R-小功率晶閘管、S-小功率開關管、T-大功率晶閘管、U-大功率開關管、X-倍增二極體、Y-整流二極體、Z-穩壓二極體。

第三部分:用數字或字母加數字表示登記號。三位數字-代表通用半導體器件的登記序號、一個字母加二位數字-表示專用半導體器件的登記序號。

第四部分:用字母對同一類型號器件進行分檔。A、B、C、D、E┄┄-表示同一型號的器件按某一參數進行分檔的標誌

除四個基本部分外,有時還加後綴,以區別特性或進一步分類。常見後綴如下:

半導體半導體

1.穩壓二極體型號的後綴。其後綴的第一部分是一個字母,表示穩定電壓值的容許誤差範圍,字母A、B、C、D、E分別表示容許誤差為±1%、±2%、±5%、±10%、±15%;其後綴第二部分是數字,表示標稱穩定電壓的整數數值;後綴的第三部分是字母V,代表小數點,字母V之後的數字為穩壓管標稱穩定電壓的小數值。

2.整流二極體後綴是數字,表示器件的最大反向峰值耐壓值,單位是伏特。

3.晶閘管型號的後綴也是數字,通常標出最大反向峰值耐壓值和最大反向關斷電壓中數值較小的那個電壓值。

如:BDX51-表示NPN矽低頻大功率三極體,AF239S-表示PNP鍺高頻小功率三極體。

五、歐洲早期半導體分立器件型號命名法

歐洲有些國家命名方法

第一部分:O-表示半導體器件

第二部分:A-二極體、C-三極體、AP-光電二極體、CP-光電三極體、AZ-穩壓管、RP-光電器件。

第三部分:多位數字-表示器件的登記序號。

第四部分:A、B、C┄┄-表示同一型號器件的變型產品。

未來發展

以GaN(氮化鎵)為代表的第三代半導體材料及器件的開發是新興半導體產業的核心和基礎,其研究開發呈現出日新月異的發展勢態。GaN基光電器件中,藍色發光二極體LED率先實現商品化生產 成功開發藍光LED和LD之後,科研方向轉移到GaN紫外光探測器上 GaN材料在微波功率方面也有相當大的套用市場。氮化鎵半導體開關被譽為半導體晶片設計上一個新的里程碑。美國佛羅里達大學的科學家已經開發出一種可用於製造新型電子開關的重要器件,這種電子開關可以提供平穩、無間斷電源。

電子信息工程

電子信息工程,就是將信息(文字的、聲音的、圖像的、甚至於,在將來,感覺的,味道的,心理的)運用電子方式來轉化、保存、傳遞的一系列設施以及涉及到的種種技術的綜合。電子信息工程就是資訊時代的基礎設施。網際網路、固定電話網、行動電話網等等,是日常熟悉的電子信息工程。電子信息工程是理工兼備,傾向於工科,也就是技術和實際操作的技能。

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