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內容簡介

　　在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現象，其中都必定包含著科學的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。麵對未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科學”趣味科普叢書，把我們身邊方方麵麵的科學知識活靈活現、生動有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收獲這些鮮活的科學知識！
　　筆記本電腦中CPU的存儲功能當然不必說瞭，從先進的智能傢電到高性能的汽車，幾乎所有的設備中都必不可少半導體器件和集成電路。正是技術人員們無窮的創意、智慧和辛勤，我們纔享受到瞭如此尖端的科技，就讓我們從這些豐富的彩圖當中來瞭解一下半導體以及這其中凝結著的人類智慧吧！

作者簡介

　　菊地正典，1968年畢業於東京大學工學部物理工程學專業。加入日本電氣公司後一直從事著半導體設計及流程開發工作。曆任該公司半導體事業部主席技師長，NEC電子半導體主席技師長。2O02年起擔任日本半導體製造裝置協會專務理事。2007年起擔任半導體能量研究所顧問。他的著作有《較新半導體的全貌》、《圖解電子電路》、《成為專業技術工程師的學習方法》、《半導體用語辭典》(與他人閤著)等。

目錄

第1章 半導體基礎
介於導體和絕緣體之間的物質——半導體
半導體也有很多種① 半導體的種類
半導體也有很多種② 半導體的驕子——矽
固態矽的三種形態 單晶、多晶、非晶
矽半導體內的電傳導① 自由電子導電的n型矽
矽半導體內導電的物質② 空穴導電的p型矽
半導體中的電子和空穴是如何運動的？ 能帶和能帶理論①
半導體中的電子和空穴是如何運動的？ 能帶和能帶理論②
具有與矽不同特徵的半導體 由種以上元素構成的“化閤物半導體”
COLUMN 氧化物半導體和有機半導體
第2章 半導體器件
能阻礙電流流動的電阻 半導體製造的“電阻元件”
能暫時儲存電的電容 半導體製造的“電容元件”
使電流單嚮流動的器件 pn結二極管
把光變成電的半導體器件 光電二極管
把電變成光的半導體器件 發光二極管
通信和存儲方麵的廣泛應用 半導體激光
晶體管是什麼 代錶性晶體管的種類
以電子作為載流子的MOS晶體管 n溝道型
以空穴作為載流子的MOS晶體管 p溝道型
讓移動設備成為可能 CMOS
用pn結作為柵極的晶體管 JFET
利用肖特基柵極的晶體管 MESFET
利用電子與空穴的晶體管 雙極型晶體管
COLUMN 晶體管的誕生
第3章 半導體集成電路——邏輯電路
將電子元器件和綫路製作在半導體電路闆上 集成電路
各種各樣的IC 根據結構、基闆、信號不同而不同
芯片上能夠裝多少個元件 根據集成度進行的MOS-IC分類
IC都有什麼樣的功能 按功能對MOS-IC分類
邏輯電路的數學基礎 布爾代數
邏輯電路的基本組成要素“門電路”① NOT電路
邏輯電路的基本組成要素“門電路”② OR電路
邏輯電路的基本組成要素“門電路”③ AND電路
進行加法運算的電路 加法電路
進行減法運算的電路 減法電路
比較判斷信號大小的電路 比較電路和異或電路
實現作為計算機大腦功能的IC MPU
實現微機功能的IC MCU
處理數字信號的特殊處理器DSP
根據使用者、用途不同而被專用化的IC ASIC
用戶可自己變更功能的邏輯電路 可編程邏輯器件PLD
在IC芯片上實現係統功能 係統LSI
被稱作電子眼的IC CCD
COLUMN 最早的電子計算機
第4章 半導體集成電路——存儲器
暫時記錄數據的電路 觸發器和暫存器
記憶信息的半導體的結構
計算機的主要存儲器 DRAM
不需要保存過程的高速存儲器 SRAM
製造階段記錄數據的存儲器 掩模式隻讀內存
切斷電源也可以持續記憶的存儲器 閃存
相同數量的存儲單元記憶容量增加 多值內存
COLUMN 微型化的指導原理——定標原理
第5章 IC的開發和設計
IC開發流程 從市場調查到上市
IC的分層設計 從係統設計到版圖設計
關於 IC的元件尺寸與位置關係的規則 設計標準
設計IC的結構和電特性 設備設計
設計IC的製造方法 流程設計
COLUMN 半導體業的分化
第6章 矽晶片的製作方法
矽元素無處不在
多晶矽是矽石經還原、轉化、蒸餾而成的
使單晶矽棒生長的CZ法
單晶棒切片以及磨麵加工
以毒製毒 晶體吸雜
矽晶片派生物 外延生長晶片和SOI
COLUMN 矽晶片的性能要求
第7章 IC的製作方法①——前工序
IC的整體製造過程概觀 前工序和後工序
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
配綫形成前工序的後半部分 BEOL
導體、絕緣體、半導體的薄膜形成技術 成膜工程
把掩膜形式轉變成晶片 光刻技術
材料膜腐蝕去除 蝕刻法
半導體裏加入雜質 熱擴散和離子注入
各種熱處理的作用 推進、迴流、退火
晶片錶麵完全平整化 CMP
清潔晶片 清洗
判定晶片上芯片的優劣 晶片檢測和修飾
COLUMN 淨化車間
第8章 集成電路的製作方法②——後工序
把晶圓切割成一個個芯片 切割
芯片封裝 安裝
芯片電極和包裝接綫柱的連接 金屬絲焊接
芯片封裝 密封
封裝接綫端識彆IC 引綫鍍金、蓋印、成形
包裝的種類 通孔安裝和錶麵安裝
IC的形狀和特性檢測 檢查和分類
COLUMN IC的可靠性和篩選
第9章 半導體尖端技術
矽晶圓的大尺寸化 下一代晶圓是mm
MOS晶體管高速化 應變矽技術
新結構MOS晶體管 被稱作最終的晶體管結構
光刻技術的未來① 浸沒式曝光和雙重曝光
光刻技術的未來② EUV
光刻技術的未來③ ML和納米壓印
萬能的功能存儲器可以實現嗎① 功能存儲器的候選技術
萬能的功能存儲器可以實現嗎② 強電介質存儲器和磁性存儲器
萬能的功能存儲器可以實現嗎③ 相變存儲器和可變電阻式存儲器
新材料引進帶來的突破① 高-k柵極絕緣膜和金屬柵極
新材料引進帶來的突破② DRAM高容量膜和低-k層間絕緣膜
COLUMN “More Moore”和“More than Moore”
參考文獻
譯後記

精彩書摘

　　固態矽的三種形態：單晶、多晶、非晶
　　(003)中提到瞭單晶矽，但是固態矽的形態除瞭單晶還有多晶和非晶。
　　圖1中顯示瞭矽的單晶、多晶和非晶的不同。
　　單晶矽在前麵的部分中已經有所介紹。多晶矽是由許多稱為晶粒的單晶矽小顆粒任意聚集形成的集閤體。晶粒問相連接的部分稱為晶界。多晶的英文是poly-crystal，因此多晶矽也常常被稱為poly矽。多晶矽在半導體裝置、顯示器、太陽能電池等方麵均有應用。
　　非晶矽是整個結構中都沒有規律性狀態的矽，又稱為無定形矽或非晶質矽。非晶矽也用於顯示器和太陽能電池等領域。
　　單晶矽、多晶矽與非晶矽在被製作晶體管等電子元件時，電子速度依次變慢，漏電流依次變多。
　　液晶顯示器(LCD)等電子産品通常使用在玻璃基闆上形成的非晶矽。雖然其性能不如晶體矽，但是其成本低而且可以形成大麵積的薄膜，因此在大屏幕液晶電視等方麵應用廣泛。
　　同時，非晶矽在激光照射等條件下，在溫度為500℃左右的低溫時也可以形成“低溫多晶矽”。雖然與非晶矽相比成本有所提高，但是因為具有多晶矽的優越特點，所以被用在手機、移動辦公設備的顯示器等方麵。
　　矽半導體內導電的物質①：自由電子導電的n型矽
　　(002)中提到的單晶矽是不含雜質的純淨狀態、電阻率(p)為4×10*3Q.m的本徵半導體。
　　一方麵，如圖1所示，單晶矽中加入微量的導電型雜質磷(P)、砷(As)、硼(B)等，隨著雜質濃度的變化，電阻率會有很大變化。這種添加雜質的半導體稱為雜質半導體。
　　如圖2所示，單晶矽中加入微量磷、砷等V族元素後，晶體中會産生能夠自由移動的電子。原因如下：以磷為例，磷原子最外層有5個電子，因此單晶中矽原子被磷原子替換，磷原子5個結閤鍵中的4個與周圍4個矽原子以共價鍵結閤，剩餘一個。也就是說，磷原子最外層的5個電子中，未參與結閤的一個電子將處於自由狀態。這個電子因為能通過電場在晶體中移動，被稱為自由電子。
　　另一方麵，形成共價鍵的電子即使在電場中也不能移動，因此稱為束縛電子或價電子。
　　添加微量磷、砷等V族元素的單晶矽稱為n型矽。n型矽中由自由電子傳輸電荷，因為電子帶負電荷(negative charge)，取其首字母稱之為“n型”。
　　n型矽中傳輸電荷的物質，即稱為載流子的是帶負電荷的電子，因此電流流動方嚮與電子移動方嚮相反。這是因為電子被發現之前，人們規定電流是從電壓高的部分流嚮電壓低的部分。
　　矽半導體內導電的物質②：空穴導電的p型矽
　　為瞭研究矽等半導體中的電流流動情況，空穴也是一種很重要的考慮方法。空穴英文稱為hole，意思是“帶正電荷的空洞”。在這裏我們首先瞭解一下空穴。
　　如圖1所示，單晶矽中加入微量Ⅲ族元素硼(B)，晶體中的矽原子一部分被硼原子替換。硼最外層有3個電子，比矽少1個，因此硼原子周圍有4個矽原子時，形成3個共價鍵，有一個矽原子不能結閤。也就是說，缺少一個電子，或者是說處於少一個結閤鍵的狀態。
　　單晶矽整體顯電中性，因此這個缺少電子之處，即是空穴，帶有與外部電子所帶負電荷大小相同、符號相反的正電荷。而且，在這個缺少電子之處，附近形成共價鍵的電子很容易進入，從而在其原來所在的地方形成空穴。所以給單晶矽上加電場時，電子移動方嚮與電場方嚮相反，而空穴則沿電場方嚮移動。
　　這種與電子符號相反電量相同的正電荷，在電場中可以容易地移動的假想粒子稱為空穴。如果把束縛電子比喻成水的話，空穴就是其中産生的“氣泡”。
　　空穴帶有正電荷(positive charge)，因此通過空穴傳導電流的矽稱為p型矽。也就是說，p型矽是以空穴為載流子的矽。p型矽中，電流流動方嚮與空穴運動方嚮一緻。
　　半導體中的電子和空穴是如何運動的？能帶和能帶理論①
　　到目前為止，我們已經定性地說明瞭導體、絕緣體、半導體、本徵半導體、雜質半導體、n型矽、p型矽等。大傢應該對這些概念有瞭一定程度的掌握，但是為瞭進一步正確地、定量地理解半導體的工作原理，就需要我們用到在量子力學中使用的描述晶體中電子狀態的能帶理論。能帶理論的詳細描述不在本書的範圍內，因此在這裏僅介紹一些要點。
　　例如，作為不含雜質的本徵半導體，“單晶矽”中電子的能量狀態如圖1所示，這些電子處於被稱為導帶及價帶的能量區域，這兩個能帶之間電子不能存在的能量區域被稱為禁帶。矽的禁帶寬度是1.1eV(電子伏特)。作為本徵半導體的單晶矽，在室溫條件下，價帶被束縛電子填滿，而由於導帶中幾乎沒有電子，因此不存在能夠自由移動的電子。此時單晶矽的電阻率很大，基本上沒有電流通過。
　　但是，如圖1(b)所示，在高溫條件下單晶矽價帶的束縛電子得到足夠的能量後，越過禁帶躍遷到導帶，成為自由電子，而且在價帶中形成電子的空位，成為空穴。這些自由電子和空穴能在單晶矽中自由移動，此時單晶矽的電阻率減小，電流變得容易流動。
　　圖12中錶示瞭物質能帶的差異。從圖中可以看齣，導體中不存在禁帶，另外，絕緣體中禁帶的範圍很大(通常在3.5eV以上)，半導體的值在這兩者之間。
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前言/序言

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