内容简介
     在我们生活的世界中,各种各样形形色色的事物和现象,其中都必定包含着科学的成分。在这些成分中,有些是你所熟知的,有些是你未知的,有些是你还一知半解的。面对未知的世界,好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢?!“形形色色的科学”趣味科普丛书,把我们身边方方面面的科学知识活灵活现、生动有趣地展示给你,让你在畅快阅读中收获这些鲜活的科学知识!
  笔记本电脑中CPU的存储功能当然不必说了,从先进的智能家电到高性能的汽车,几乎所有的设备中都必不可少半导体器件和集成电路。正是技术人员们无穷的创意、智慧和辛勤,我们才享受到了如此尖端的科技,就让我们从这些丰富的彩图当中来了解一下半导体以及这其中凝结着的人类智慧吧!     
作者简介
     菊地正典,1968年毕业于东京大学工学部物理工程学专业。加入日本电气公司后一直从事着半导体设计及流程开发工作。历任该公司半导体事业部主席技师长,NEC电子半导体主席技师长。2O02年起担任日本半导体制造装置协会专务理事。2007年起担任半导体能量研究所顾问。他的著作有《较新半导体的全貌》、《图解电子电路》、《成为专业技术工程师的学习方法》、《半导体用语辞典》(与他人合著)等。
     目录
   第1章  半导体基础
介于导体和绝缘体之间的物质——半导体
半导体也有很多种①  半导体的种类
半导体也有很多种②  半导体的骄子——硅
固态硅的三种形态  单晶、多晶、非晶
硅半导体内的电传导①  自由电子导电的n型硅
硅半导体内导电的物质②  空穴导电的p型硅
半导体中的电子和空穴是如何运动的?  能带和能带理论①
半导体中的电子和空穴是如何运动的?  能带和能带理论②
具有与硅不同特征的半导体  由种以上元素构成的“化合物半导体”
COLUMN  氧化物半导体和有机半导体
第2章  半导体器件
能阻碍电流流动的电阻  半导体制造的“电阻元件”
能暂时储存电的电容  半导体制造的“电容元件”
使电流单向流动的器件  pn结二极管
把光变成电的半导体器件  光电二极管
把电变成光的半导体器件  发光二极管
通信和存储方面的广泛应用  半导体激光
晶体管是什么  代表性晶体管的种类
以电子作为载流子的MOS晶体管  n沟道型
以空穴作为载流子的MOS晶体管  p沟道型
让移动设备成为可能  CMOS
用pn结作为栅极的晶体管  JFET
利用肖特基栅极的晶体管  MESFET
利用电子与空穴的晶体管  双极型晶体管
COLUMN  晶体管的诞生
第3章  半导体集成电路——逻辑电路
将电子元器件和线路制作在半导体电路板上  集成电路
各种各样的IC  根据结构、基板、信号不同而不同
芯片上能够装多少个元件  根据集成度进行的MOS-IC分类
IC都有什么样的功能  按功能对MOS-IC分类
逻辑电路的数学基础  布尔代数
逻辑电路的基本组成要素“门电路”①  NOT电路
逻辑电路的基本组成要素“门电路”②  OR电路
逻辑电路的基本组成要素“门电路”③  AND电路
进行加法运算的电路  加法电路
进行减法运算的电路  减法电路
比较判断信号大小的电路  比较电路和异或电路
实现作为计算机大脑功能的IC  MPU
实现微机功能的IC  MCU
处理数字信号的特殊处理器DSP
根据使用者、用途不同而被专用化的IC  ASIC
用户可自己变更功能的逻辑电路  可编程逻辑器件PLD
在IC芯片上实现系统功能  系统LSI
被称作电子眼的IC  CCD
COLUMN  最早的电子计算机
第4章  半导体集成电路——存储器
暂时记录数据的电路  触发器和暂存器
记忆信息的半导体的结构
计算机的主要存储器  DRAM
不需要保存过程的高速存储器  SRAM
制造阶段记录数据的存储器  掩模式只读内存
切断电源也可以持续记忆的存储器  闪存
相同数量的存储单元记忆容量增加  多值内存
COLUMN  微型化的指导原理——定标原理
第5章  IC的开发和设计
IC开发流程  从市场调查到上市
IC的分层设计  从系统设计到版图设计
关于  IC的元件尺寸与位置关系的规则  设计标准
设计IC的结构和电特性  设备设计
设计IC的制造方法  流程设计
COLUMN  半导体业的分化
第6章  硅晶片的制作方法
硅元素无处不在
多晶硅是硅石经还原、转化、蒸馏而成的
使单晶硅棒生长的CZ法
单晶棒切片以及磨面加工
以毒制毒  晶体吸杂
硅晶片派生物  外延生长晶片和SOI
COLUMN  硅晶片的性能要求
第7章  IC的制作方法①——前工序
IC的整体制造过程概观  前工序和后工序
原件形成前工序的前半部分①  FEOL
原件形成前工序的前半部分②  FEOL
配线形成前工序的后半部分  BEOL
导体、绝缘体、半导体的薄膜形成技术  成膜工程
把掩膜形式转变成晶片  光刻技术
材料膜腐蚀去除  蚀刻法
半导体里加入杂质  热扩散和离子注入
各种热处理的作用  推进、回流、退火
晶片表面完全平整化  CMP
清洁晶片  清洗
判定晶片上芯片的优劣  晶片检测和修饰
COLUMN  净化车间
第8章  集成电路的制作方法②——后工序
把晶圆切割成一个个芯片  切割
芯片封装  安装
芯片电极和包装接线柱的连接  金属丝焊接
芯片封装  密封
封装接线端识别IC  引线镀金、盖印、成形
包装的种类  通孔安装和表面安装
IC的形状和特性检测  检查和分类
COLUMN  IC的可靠性和筛选
第9章  半导体尖端技术
硅晶圆的大尺寸化  下一代晶圆是mm
MOS晶体管高速化  应变硅技术
新结构MOS晶体管  被称作最终的晶体管结构
光刻技术的未来①  浸没式曝光和双重曝光
光刻技术的未来②  EUV
光刻技术的未来③  ML和纳米压印
万能的功能存储器可以实现吗①  功能存储器的候选技术
万能的功能存储器可以实现吗②  强电介质存储器和磁性存储器
万能的功能存储器可以实现吗③  相变存储器和可变电阻式存储器
新材料引进带来的突破①  高-k栅极绝缘膜和金属栅极
新材料引进带来的突破②  DRAM高容量膜和低-k层间绝缘膜
COLUMN  “More  Moore”和“More  than  Moore”
参考文献
译后记      
精彩书摘
     固态硅的三种形态:单晶、多晶、非晶
  (003)中提到了单晶硅,但是固态硅的形态除了单晶还有多晶和非晶。
  图1中显示了硅的单晶、多晶和非晶的不同。
  单晶硅在前面的部分中已经有所介绍。多晶硅是由许多称为晶粒的单晶硅小颗粒任意聚集形成的集合体。晶粒问相连接的部分称为晶界。多晶的英文是poly-crystal,因此多晶硅也常常被称为poly硅。多晶硅在半导体装置、显示器、太阳能电池等方面均有应用。
  非晶硅是整个结构中都没有规律性状态的硅,又称为无定形硅或非晶质硅。非晶硅也用于显示器和太阳能电池等领域。
  单晶硅、多晶硅与非晶硅在被制作晶体管等电子元件时,电子速度依次变慢,漏电流依次变多。
  液晶显示器(LCD)等电子产品通常使用在玻璃基板上形成的非晶硅。虽然其性能不如晶体硅,但是其成本低而且可以形成大面积的薄膜,因此在大屏幕液晶电视等方面应用广泛。
  同时,非晶硅在激光照射等条件下,在温度为500℃左右的低温时也可以形成“低温多晶硅”。虽然与非晶硅相比成本有所提高,但是因为具有多晶硅的优越特点,所以被用在手机、移动办公设备的显示器等方面。
  硅半导体内导电的物质①:自由电子导电的n型硅
  (002)中提到的单晶硅是不含杂质的纯净状态、电阻率(p)为4×10*3Q.m的本征半导体。
  一方面,如图1所示,单晶硅中加入微量的导电型杂质磷(P)、砷(As)、硼(B)等,随着杂质浓度的变化,电阻率会有很大变化。这种添加杂质的半导体称为杂质半导体。
  如图2所示,单晶硅中加入微量磷、砷等V族元素后,晶体中会产生能够自由移动的电子。原因如下:以磷为例,磷原子最外层有5个电子,因此单晶中硅原子被磷原子替换,磷原子5个结合键中的4个与周围4个硅原子以共价键结合,剩余一个。也就是说,磷原子最外层的5个电子中,未参与结合的一个电子将处于自由状态。这个电子因为能通过电场在晶体中移动,被称为自由电子。
  另一方面,形成共价键的电子即使在电场中也不能移动,因此称为束缚电子或价电子。
  添加微量磷、砷等V族元素的单晶硅称为n型硅。n型硅中由自由电子传输电荷,因为电子带负电荷(negative charge),取其首字母称之为“n型”。
  n型硅中传输电荷的物质,即称为载流子的是带负电荷的电子,因此电流流动方向与电子移动方向相反。这是因为电子被发现之前,人们规定电流是从电压高的部分流向电压低的部分。
  硅半导体内导电的物质②:空穴导电的p型硅
  为了研究硅等半导体中的电流流动情况,空穴也是一种很重要的考虑方法。空穴英文称为hole,意思是“带正电荷的空洞”。在这里我们首先了解一下空穴。
  如图1所示,单晶硅中加入微量Ⅲ族元素硼(B),晶体中的硅原子一部分被硼原子替换。硼最外层有3个电子,比硅少1个,因此硼原子周围有4个硅原子时,形成3个共价键,有一个硅原子不能结合。也就是说,缺少一个电子,或者是说处于少一个结合键的状态。
  单晶硅整体显电中性,因此这个缺少电子之处,即是空穴,带有与外部电子所带负电荷大小相同、符号相反的正电荷。而且,在这个缺少电子之处,附近形成共价键的电子很容易进入,从而在其原来所在的地方形成空穴。所以给单晶硅上加电场时,电子移动方向与电场方向相反,而空穴则沿电场方向移动。
  这种与电子符号相反电量相同的正电荷,在电场中可以容易地移动的假想粒子称为空穴。如果把束缚电子比喻成水的话,空穴就是其中产生的“气泡”。
  空穴带有正电荷(positive charge),因此通过空穴传导电流的硅称为p型硅。也就是说,p型硅是以空穴为载流子的硅。p型硅中,电流流动方向与空穴运动方向一致。
  半导体中的电子和空穴是如何运动的?能带和能带理论①
  到目前为止,我们已经定性地说明了导体、绝缘体、半导体、本征半导体、杂质半导体、n型硅、p型硅等。大家应该对这些概念有了一定程度的掌握,但是为了进一步正确地、定量地理解半导体的工作原理,就需要我们用到在量子力学中使用的描述晶体中电子状态的能带理论。能带理论的详细描述不在本书的范围内,因此在这里仅介绍一些要点。
  例如,作为不含杂质的本征半导体,“单晶硅”中电子的能量状态如图1所示,这些电子处于被称为导带及价带的能量区域,这两个能带之间电子不能存在的能量区域被称为禁带。硅的禁带宽度是1.1eV(电子伏特)。作为本征半导体的单晶硅,在室温条件下,价带被束缚电子填满,而由于导带中几乎没有电子,因此不存在能够自由移动的电子。此时单晶硅的电阻率很大,基本上没有电流通过。
  但是,如图1(b)所示,在高温条件下单晶硅价带的束缚电子得到足够的能量后,越过禁带跃迁到导带,成为自由电子,而且在价带中形成电子的空位,成为空穴。这些自由电子和空穴能在单晶硅中自由移动,此时单晶硅的电阻率减小,电流变得容易流动。
  图12中表示了物质能带的差异。从图中可以看出,导体中不存在禁带,另外,绝缘体中禁带的范围很大(通常在3.5eV以上),半导体的值在这两者之间。
  ……      
前言/序言
       
				 
				
				
					《硅基脉搏:微观世界的宏大叙事》  导言  我们身处一个前所未有的信息洪流之中,每一次点击、每一次滑动、每一次通讯,背后都涌动着一股我们看不见的、却又无比强大的力量。这股力量,源于构成我们数字世界的基石——半导体。它不仅仅是冰冷的硅片,更是驱动文明进步的智慧火种,是连接过去、现在与未来的无形纽带。本书《硅基脉搏:微观世界的宏大叙事》旨在带领读者深入探寻这片微观世界的奥秘,揭示半导体产业如何塑造了我们当下的生活,又将如何引领我们走向一个更加智能、互联的未来。我们将剥离技术术语的繁复,用引人入胜的故事和深刻的洞察,勾勒出半导体产业跌宕起伏的发展脉络,以及那些隐藏在芯片背后,改变世界的个体与集体的智慧结晶。  第一章:孕育智慧的土壤——半导体的前世今生  本章将追溯半导体概念的萌芽,从早期对晶体管的探索,到固体电子学的诞生,再到集成电路的发明。我们将回顾那些伟大的先驱者,如巴丁、布拉顿、肖克利,以及诺伊斯和基尔比,他们的洞见和实验如何一步步突破了真空管的限制,开启了电子设备小型化、高效化的新纪元。我们将探讨半导体材料的演变,从锗到硅,再到更先进的化合物半导体,了解不同材料特性如何满足日益增长的应用需求。同时,我们将审视这一产业如何从实验室的奇迹,逐步走向规模化生产,并在这个过程中遇到的技术、经济和市场挑战。这一章将为读者构建一个清晰的历史坐标,理解半导体产业是如何在人类科技发展的长河中,逐渐占据举足轻重的地位。  第二章:指尖上的宇宙——芯片的内部世界  步入第二章,我们将潜入半导体最核心的领域——芯片。这不仅仅是硅片上的电路,而是无数精妙设计的结晶,是逻辑运算的精密机器。我们将以通俗易懂的方式,解析半导体器件的基本原理,如二极管、三极管、MOSFET等,它们是如何通过控制载流子(电子和空穴)的流动来实现信号的放大和开关。我们将深入了解集成电路(IC)的构成,从简单的逻辑门到复杂的微处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、内存芯片(DRAM, NAND Flash)以及各类专用集成电路(ASIC)。我们将介绍芯片的制造过程,从晶圆的生长、光刻、刻蚀、掺杂到封装,这个过程中每一个环节都凝聚着人类对物理、化学、光学和机械工程的极致追求。我们将强调光刻技术在芯片制造中的关键作用,以及EUV(极紫外光)等前沿技术如何突破物理极限,实现更小的制程节点。这一章旨在让读者对“芯片”这个概念有一个具象的理解,认识到其内部结构的复杂与精巧。  第三章:连接万物的神经——半导体在通信领域的革命  本章将聚焦半导体在通信领域的深远影响,它如同连接世界的神经系统,让信息跨越时空。我们将探讨半导体技术如何驱动了移动通信的飞跃,从2G到5G,甚至未来的6G。我们将解析手机处理器、射频芯片、基带芯片等核心部件,它们如何协同工作,实现语音通话、数据传输和高速上网。我们将深入了解 Wi-Fi、蓝牙、NFC 等无线通信技术背后的半导体支持,以及它们如何让我们在日常生活中便捷地共享信息和连接设备。此外,我们还将审视光通信领域,介绍光纤通信系统中的光电器件,如激光器、光电探测器,它们如何支撑起互联网庞大的数据传输需求。这一章将展示半导体如何打破了地理的界限,构建了一个前所未有的互联互通的世界。  第四章:赋能智能的引擎——计算与人工智能的崛起  计算能力是现代科技的核心驱动力,而半导体正是这一切的基石。本章将深入剖析半导体如何推动了计算技术的革新,从个人电脑的普及,到服务器集群的强大,再到云计算的兴起。我们将重点关注微处理器(CPU)和图形处理器(GPU)的演进,它们在处理通用计算和并行计算方面的差异与优势。更重要的是,我们将探讨半导体在人工智能(AI)领域的突破性贡献。我们将介绍AI芯片(如TPU、NPU)的设计理念,它们如何针对神经网络的计算特点进行优化,从而大幅提升机器学习和深度学习的效率。我们将回顾AI在图像识别、自然语言处理、自动驾驶等领域的应用,并强调这些进步离不开强大的半导体算力支持。本章将揭示半导体如何从简单的计算工具,演变为赋能智能时代的核心引擎。  第五章:感知世界的眼睛——半导体在物联网与传感器的角色  物联网(IoT)的蓬勃发展,正在将物理世界与数字世界以前所未有的方式融合,而半导体在其中扮演着至关重要的角色。本章将深入探讨半导体在传感器技术中的应用。我们将介绍各类传感器,如温度传感器、压力传感器、加速度计、陀螺仪、图像传感器、生物传感器等,它们是如何将物理世界的各种信息转化为电信号。我们将了解MEMS(微机电系统)技术,它如何实现微型化、集成化的传感器,并被广泛应用于智能手机、可穿戴设备、汽车电子等领域。我们将分析低功耗半导体芯片的设计,它们如何实现传感器网络的持久运行,以及边缘计算的兴起,如何让数据在本地进行初步处理,减少对云端的依赖。本章将展现半导体如何赋予了机器“感知”世界的能力,开启了万物互联的新篇章。  第六章:驱动未来的动力——半导体与新能源、汽车电子的变革  可持续发展和绿色出行是当今世界的两大主题,而半导体在其中发挥着不可或缺的作用。本章将审视半导体技术如何驱动新能源产业的进步。我们将探讨太阳能电池板中的半导体材料,如硅、砷化镓等,以及它们如何将光能转化为电能。我们将分析电动汽车(EV)中的关键半导体器件,如功率半导体(IGBT、MOSFET)、电池管理系统(BMS)芯片、电机控制器等,它们如何提升能源利用效率、延长续航里程。我们将深入了解自动驾驶技术中的半导体应用,包括雷达、激光雷达、摄像头等传感器芯片,以及负责处理海量数据的AI芯片和高性能计算单元。此外,我们还将探讨智能电网、储能技术以及半导体在半导体照明(LED)领域的应用,它们如何为构建更清洁、更高效的能源体系贡献力量。  第七章:全球产业链的脉动——半导体产业的生态与竞争  半导体产业是一个高度复杂且全球化的生态系统,涉及设计、制造、封测等多个环节,并伴随着激烈的市场竞争。本章将揭示这个生态系统的运作模式。我们将介绍半导体产业链中的关键参与者,如芯片设计公司(Fabless)、晶圆代工厂(Foundry)、垂直整合制造商(IDM)以及封测厂商。我们将探讨EDA(电子设计自动化)工具的重要性,它们是芯片设计不可或缺的软件。我们将分析全球半导体产业的地理分布,以及各国在这一领域扮演的角色和竞争策略。我们将审视技术壁垒、资本投入以及人才竞争等因素,如何塑造了半导体产业的格局。此外,我们还将探讨地缘政治对半导体供应链的影响,以及各国如何努力提升本土半导体制造能力。本章旨在让读者理解半导体产业背后复杂的商业逻辑和战略博弈。  第八章:挑战与展望——半导体产业的未来图景  站在时代的潮头,我们不禁要问:半导体产业的未来将走向何方?本章将展望半导体技术的前沿发展趋势。我们将探讨摩尔定律的延续与挑战,以及如何通过新的材料(如二维材料、碳纳米管)、新的器件结构(如3D堆叠、鳍式晶体管)和新的计算范式(如量子计算、神经形态计算)来突破当前技术的瓶颈。我们将审视AI的进一步发展对半导体提出的新要求,以及更高效、更节能的AI芯片的研发方向。我们将展望半导体在生物技术、医疗健康、太空探索等新兴领域的应用潜力。同时,我们也必须关注半导体产业所面临的挑战,如资源消耗、环境影响、人才短缺以及供应链的安全与稳定。本章将勾勒出一幅充满机遇与挑战的半导体未来图景,引导读者思考半导体技术如何继续引领人类社会的进步。  结语  《硅基脉搏:微观世界的宏大叙事》的旅程至此暂告一段落。我们从微观的硅片出发,穿越了历史的长河,探访了芯片的内部世界,见证了通信、计算、人工智能、物联网、新能源以及汽车电子等领域的革命,并审视了全球产业链的脉动。我们深刻理解到,半导体并非孤立的技术,而是贯穿现代文明的脉络,是驱动社会进步的强大引擎。它以无声的力量,改变着我们的生活方式,塑造着我们的未来。希望本书能够激发您对半导体领域的更多好奇与思考,认识到在这片微观世界里,蕴藏着宏大的叙事,以及无限的可能性。