菊地正典编写的这本《科技时代的先锋：半导体面面观》可以让更多人了解半导体，特别是关于硅和硅的集成电路(IC)。

为了让中学生也能很好地理解半导体的相关内容，本书以“说明尽可能简单通俗”为第一目标，同时注意“正确地把完整面貌呈现给读者”。

本书从“半导体究竟是什么”开始，进而说明“半导体有什么性质和功能、具有这些性质和功能的原因”、“由半导体构成的集成电路是什么”、“半导体和集成电路有哪些种类、是什么构造”、“集成电路是如何制成的”、“半导体和集成电路在哪些领域使用”，最后介绍了“半导体技术领域的前沿”。

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！

《科技时代的先锋：半导体面面观》适合青少年读者、科学爱好者以及大众读者阅读。

《科技时代的先锋：半导体面面观》由菊地正典编写。

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

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。

P8-14

半导体被应用于几乎所有的电子设备中，可以说半导体从根本上支撑着现代社会。例如，个人计算机、手机等便携设备，复印机等办公自动化设备，以及家电、游戏机、数码相机、导航系统、汽车、飞机、电车、IC卡等，不胜枚举。很难找到不使用半导体的电子设备，因此半导体被称为“产业的食粮”。

生活里不可或缺的半导体材料中最具有代表性的是硅，其在地壳中的含量位居第二，含量丰富，可以说是“天赐良材”。

这本书可以让更多人了解半导体，特别是关于硅和硅的集成电路(IC)。

为了让中学生也能很好地理解半导体的相关内容，本书以“说明尽可能简单通俗”为第一目标，同时注意“正确地把完整面貌呈现给读者”。

本书从“半导体究竟是什么”开始，进而说明“半导体有什么性质和功能、具有这些性质和功能的原因”、“由半导体构成的集成电路是什么”、“半导体和集成电路有哪些种类、是什么构造”、“集成电路是如何制成的”、“半导体和集成电路在哪些领域使用”，最后介绍了“半导体技术领域的前沿”。

同时专栏(COLUMN)等内容，也介绍了一些半导体产业的相关事项。如果读者通过这本书对半导体的兴趣和理解能稍有加深，笔者将不胜欣慰。

菊地正典

随着时代的发展与科技的进步，半导体相关产品已经进入千家万户。在科研工作者的不懈努力和刻苦钻研下，半导体正悄无声息地改变着我们的生活。从手机到计算机，从飞机到产业机械，从日新月异的数码产品到不断发展的汽车行业，到处都可以看到半导体的身影，半导体材料和技术组成了所有这些电子设备，它们已经成为人类现代生活中必不可少的一部分，让我们的日常生活变得丰富多彩。

为了让人们对半导体有更好的了解，更好地普及半导体知识，原书作者菊地正典深入浅出地向我们展示了一个神奇的半导体世界。本书不同于以往学术性的书籍，用形象的语言、生动的图片以及独特的视角，向我们系统地介绍了半导体的基础、特性、生产以及应用等各个方面，使半导体知识更通俗易懂地为读者所接受。

作为相关行业的科技人员，我们深深地感受到半导体领域所带来的巨大应用价值和广阔发展前景。读罢此书，我们更体会到把这本书引进中国、让越来越多的中国读者更好地了解和认识半导体的重要性。在出版社的大力支持下，在同其他译者的共同努力下，原书的翻译和校对工作终于完成了。在翻译过程中，我们力争以最通俗的方式让读者理解书中内容，但由于自身局限性造成翻译不当等瑕疵之处，还请读者批评指正。

在本书的翻译过程中我们得到了各界朋友的帮助和指导，特别感谢大连理工大学材料学院08届日语强化班的杨阳、栾健、邓志莹、邹杰、杨旭枫等同学。特别感谢本书的责任编辑唐璐女士。本书的出版凝结了很多人的辛勤和汗水，在此一并表示感谢。

译者