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半导体和芯片是同概念吗,半导体和芯片的关系?

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,第一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”。

半导体和芯片是同概念吗(半导体和芯片的关系)

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

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。

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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。

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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。

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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。

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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,半导体的第一个特性,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。

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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。

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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。

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而用光来“雕刻”其实涉及到了雕刻工艺,目前的集成电路制造,一般是在几平方厘米的面积上,造出成千上万的晶体管,而每个器件的结构也相当微小和复杂,要在上面雕刻电路,只用通过光来实现,而波长越短的光,刻蚀到半导体材料上的晶体管就越多,因此光刻机对芯片制造来说,是极其关键的一步。张眼看世界,罗叔聊风云,喜欢的朋友记得点个关注。

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