半导体技术难点在哪 五分钟让你明白何为半导体技术

2020年是中国华为最难熬的一年，而这背后的原因是手机的核心——芯片的制造技术受制于美国，而芯片的制造就是与半导体技术息息相关。

在明白半导体技术之前，我们得先明白什么是半导体。半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。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的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。对于介于导体和绝缘体之间的材料我们简单称为半导体。

1833年，英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但法拉第发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久，1839年法国的贝克莱尔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，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特性。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体的第三种特性。在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第四种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。半导体的这四个特性，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。 2019年10月，一国际科研团队称与传统霍尔测量中仅获得3个参数相比，新技术在每个测试光强度下最多可获得7个参数：包括电子和空穴的迁移率、在光下的载荷子密度、重组寿命、电子、空穴和双极性类型的扩散长度。

半导体分为元素半导体、无机合成半导体、有机合成半导体、非晶态半导体及本征半导体。元素半导体是指单一元素构成的半导体，其容易受到微量杂质和外界条件的影响而发生变化；无机合成物主要是通过单一元素构成半导体材料，当然也有多种元素构成的半导体材料，其受到元素的特性和制作方式的影响，不是所有的化合物都能够符合半导体材料的要求，这一半导体主要运用到高速器件中;有机化合物是指含分子中含有碳键的化合物，把有机化合物和碳键垂直，叠加的方式能够形成导带，通过化学的添加，能够让其进入到能带，这样可以发生电导率，从而形成有机化合物半导体，这一半导体和以往的半导体相比，具有成本低、溶解性好、材料轻加工容易的特点；非晶态半导体又叫做无定形半导体或玻璃半导体，它主要是通过改变原子相对位置，改变原有的周期性排列，形成非晶硅；本征半导体是指不含杂质且无晶格缺陷的半导体，它通过产生电子-空穴对以实现本征导电。

前面我们了解了半导体的物理概念、发现历史及其分类，对半导体应该已经有了大概认识，这样对后面的半导体的相关技术就会有更好的理解。

一、利用半导体照明

半导体照明的核心技术是半导体发光二极管，英文名简称为LED，其发光的原理是在PN结正向偏置条件下，通过注入到器件有源区的电子空穴对自发幅射复合将电能转换为光能[1]。

目前实现半导体发光有三种主流技术路线：（1）基于三色原理，利用红、绿、蓝三种基色LED合成白光；（2）利用利用紫外LED激发三基色荧光粉，由荧光粉发出的光合成白光；（3）采用蓝光LED激发黄光荧光粉，实现二元混色白光。

利用三基色LED混合白光，不仅可实现理想的白光光谱，而且光源颜色可调，但对三基色LED的性能要求严格，其驱动电路等外围系统也相应复杂，因此，其性价比偏低，但适用于对颜色要求较高的场合；利用紫外LED激发三基色荧光粉实现白光的技术路线，目前尚缺乏大功率紫外LED以及高效率、高可靠性的紫外荧光粉，因此尚不具备实用性；利用蓝光LED激发黄光荧光粉的方案，具有成熟的荧光粉和高效、可靠的蓝光光源，尽管显色指数上略显不足，但该方案具有最高的流明效率，是目前普遍采用的技术路线[1]。

随着半导体照明技术的发明，LED逐渐运用在了室内、室外照明领域。在室内照明领域，LED对于白炽灯而言，具有发光效率高的优点，但对于荧光灯，生产价格更高；在室外照明领域，LED对于霓虹灯，具有多光色且可控的优势[2]。

半导体照明功能性方面具有优势，但在普及性方面，价格偏高，目前LED并无法做到全面普及，但是其具有较大的发展前景。

二、利用半导体制冷

直流电通过半导体PN结时，在两节的接触面上会发生热电效应，它是有五种不同的热电效应组成，而半导体制冷技术主要是其中的珀尔贴效应在制冷方面的应用[3]。

珀尔贴效应是J.C.A.珀耳帖在1834年发现的，是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。

半导体制冷与传统的制冷不同，它既不用制冷器，也不用机械设备和管路，只要给半导体制冷器通上直流电，它的冷端就会迅速降温，降温速度快并且容易控制、无噪音和污染 、 体积小，解决了许多特殊场合下的制冷问题，并能实现对温度的精确控制。

半导体制冷技术优势大，但其发展时间不长，在普及性方面还有很大的空间。

三、利用半导体制造芯片

目前市场的芯片多种多样，计算芯片、储存芯片、感知芯片、通信芯片、能源芯片等等，这些芯片的制造都离不开半导体，而利用半导体制造芯片，其实就是通过半导体技术来制造芯片的集成电路。

集成电路一般分为混合集成电路和半 导体集成电路。其中，半导体集成电路无论在用 途、功能、产量、市场份额等方面都绝对占有统治地位，以至于人们常常以半导体集成电路作为电 子工业发展水平的里程碑或者标志[4]。

集成电路是一种微型电子器件或部件。把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构，而半导体在这其中所起的作用是形成基片，相当于建房时的地基作用。

目前集成电路的制造面临着诸多挑战，其中就包括高功耗及工艺参数变化两大挑战。随着工艺的提高，芯片工作频率不断提高，芯片功耗不断增加，高功耗对集成电路的IC设计约束越来越大，总结而言，高功耗对IC的供电网络、封散及散热设备、性能、测试及设计复杂度有负面影响[5]。在纳米工艺时代高端芯片都必须进行低功耗设计，才能满足功耗要求，如果不考虑工艺参数变化对低功耗设计的影响，在电路的低功耗设计中，通过调节沟道宽度、长度及阈值电压等手段，提高优化前电路中低性能路径的性能，使电路达到事先设定的性能，其结果就是：在事先设定的性能处，形成了一堵路径墙，但当考虑工艺参数变化后，路径墙中路径的性能就会产生变化，形成一个性能分布，因此必然有近一半路径的性能达不到要求，影响设计的成品率[5]。

半导体技术在生产中运用十分广泛，我所介绍的只是其中的一部分，希望对读者有所帮助。

参考文献：

[1]罗毅, 张贤鹏, 韩彦军,等. 半导体照明关键技术研究[J]. 激光与光电子学进展, 2007(03):17-28.

[2]储于超. 半导体照明市场现况与挑战[C]// 中国照明电器协会. 中国照明电器协会, 2009.

[3]陈振林, 孙中泉. 半导体制冷器原理与应用[J]. 微电子技术, 1999(05):63-65.

[4]郭禾. 半导体集成电路知识产权的法律保护[J]. 中国人民大学学报, 2004(01):103-111.

[5]骆祖莹. 芯片功耗与工艺参数变化:下一代集成电路设计的两大挑战[J]. 计算机学报, 2007(07):1054-1063.