作者
Mesh Flinders
Staff Writer
IBM Think
Ian Smalley
Staff Editor
IBM Think
什么是半导体？
半导体是一种既可以作为电流的导体，也可以作为电流的绝缘体的物质，使其成为计算机、电子设备、集成电路和其他现代数字技术的关键构建块。
导电的物质称为导体，而不导电的物质称为绝缘体。半导体具有独特的性质，适用于两种状态，这意味着在某些条件下它们可以导电，而在其他条件下则能够阻碍电流。这种独特的分类使得半导体非常适合用于依赖在小面积内传导大量电力的技术，如计算机芯片、人工智能 (AI) 芯片 和物联网 (IoT) 设备。
在大多数现代技术中，半导体像微小的电气开关一样反复开关，控制电流的流动。半导体的导电性（即电流通过它的难易程度）取决于电流和电压的变化。
半导体广泛应用于多个行业，包括个人计算机 (PC)、家用电子产品、汽车、工业制造等。根据半导体行业协会 (SIA) 最近的一份报告，半导体销售额已从 2001 年的 1390 亿美元增长到 2023 年的 5260 亿美元。这一增长代表了 6% 的复合年增长率 (CAGR)。1
半导体行业的快速创新速度很大程度上归功于摩尔定律，即计算机的速度和能力每两年翻一番的规律。在半导体行业，摩尔定律适用于微芯片必须包含的晶体管数量，以跟上计算设备日益增长的需求。领先的制造商不断寻求每两年翻倍晶体管数量的方法，以确保半导体技术的进步。
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半导体是如何工作的？
大多数半导体是由晶体构成的，因为它们具有独特的原子性质。而大多数常见的导电元素在最外层只有一个电子，半导体则有四个电子。这一点以及其他因素使得半导体晶体（通常是硅）非常适合控制支撑复杂现代技术设备的电流。
为了控制电子电路和设备中的电流流动，工程师通过在半导体中创建带有正负电荷的区域来操控电子流动，这一过程称为掺杂。
什么是掺杂？
在半导体生产中，掺杂是一个过程，其中杂质（也称为杂质原子）故意被引入半导体的晶体格中，以改变其电气特性。通过引入掺杂原子，工程师可以使材料的导电性增强或减弱。掺杂有两种类型：N 型掺杂和 P 型掺杂。
N 型掺杂：N 型掺杂是指工程师添加比母材更多价电子的元素。这一变化增加了原子中的自由电荷载流子数量，从而使半导体材料的导电性相较于之前有所增强。
P 型掺杂：P 型掺杂同样使材料更具导电性，但采用的是稍微不同的方法。在 P 型掺杂中，添加的元素比母材少一个价电子，从而创建了计算机科学中称为“孔”的区域：一个缺少电子的地方，电子通常携带电荷并增加导电性。
半导体类型
半导体通常分为两种主要类型：内禀半导体和外延半导体。下面我们来看看它们的区别。
内禀半导体：内禀半导体是由单一、纯净的材料构成的半导体，这些材料没有经过任何加工或掺杂。内禀半导体通常被称为“元素半导体”，因为它们中的许多是周期表上著名的元素，如碳、硼、硅和锗。
外延半导体：外延半导体是经过掺杂处理的半导体，通过故意引入杂质来改变材料的导电性。例如，射频 (RF) 半导体被视为外延半导体，因为它们结合了如砷化镓 (GaAs)、氮化镓 (GaN) 和硅 (Si) 等材料，使半导体能够在更高的射频下工作。
晶体管和半导体器件
半导体器件是利用导体和绝缘体来控制电流流动的电子元件。最常见的半导体器件是广泛使用的晶体管，这是一种小型、耐用的电子元件，驱动着大多数现代电子设备。
在 1947 年晶体管发明之前，真空管广泛用于相同的用途。事实证明，晶体管比真空管更紧凑、更高效，并迅速取代了它们。如今，晶体管被广泛应用于各种设备中，包括计算机芯片、微处理器、汽车、机器人设备等等。晶体管具有很高的灵活性；除了作为导体和绝缘体外，它们还可以作为开关、放大器和整流器。
开关：半导体器件中的组件，用于开关控制电流的流动。
放大器：在电子设备中，用于增加输入信号幅度的电路。
整流器：整流器或整流二极管是小型半导体器件，通过允许电流单方向流动，将交流电 (AC) 转换为直流电 (DC)。
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半导体是如何制造的？
半导体是在代工厂制造的，代工厂是高度专业化的公司，专门从事半导体制造，而将设计和分销交给其他公司处理。由于多种因素，世界上大多数代工厂都位于台湾。
台积电（台湾半导体制造公司，TSMC）
今天，全球 60% 的半导体芯片和超过 90% 的先进芯片都在相对较小的台湾岛上制造。2台湾的高技能劳动力、半导体代工模式的发明以及其他因素使其几乎完全主导了半导体市场。
世界上最著名的代工厂之一可能是台湾半导体制造公司 (TSMC)，成立于 1987 年，专门为像苹果和 NVIDIA 这样的客户生产全球最先进的芯片。
如今，台积电在半导体市场的主导地位使其成为全球半导体供应链的重要组成部分。因此，台湾已成为中国和美国等大国外交政策战略中的一个地缘政治焦点。
什么是晶圆制造？
半导体通过一个严格的过程制造，这个过程被称为晶圆制造或晶圆加工，其开始于将半导体材料切割成薄片。硅晶圆是最常见的晶圆，但也可以用砷化镓、碳化硅、锗等材料制造。
在晶圆制造完成后，它会通过一系列不同的高度专业化的机器进行抛光和研磨，并通过四个复杂的步骤将集成电路 (IC) 安装到其表面。
步骤 1. 氧化：在集成电路 (IC) 安装之前，晶圆必须先使用高度纯净的去离子水进行预清洁。某些类型的晶圆，尤其是硅晶圆，在此步骤中会被加热并暴露于纯氧中，这种方法称为热氧化。
步骤 2. 掩膜：在半导体制造的掩膜环节中，使用光掩膜（高度精确的模板）在晶圆上创建图案，这一过程称为光刻。每个掩膜在定义半导体的电路结构以及其作为集成电路有效运行的方式中都起着至关重要的作用。
步骤 3. 蚀刻：在制造过程中，蚀刻环节中会去除晶圆上不需要的材料，以形成有意图的图案或形状。像掩膜一样，蚀刻对于集成电路和其他具有特定用途的器件的建立至关重要，这些器件必须附着在晶圆表面。
步骤 4. 掺杂：最后，通过向晶体结构中添加杂质来改变其电气特性，从而制造外延半导体材料。在此步骤中使用的化合物包括砷化镓、锑化铟以及许多种类的氧化物。
半导体优势
在过去的 75 年里，半导体已经成为许多现代技术的基础。从计算机的早期阶段到互联网、社交媒体、移动技术和人工智能的普及，半导体在使电子设备正常运作方面发挥了关键作用。以下是一些半导体最重要的优势。
尺寸和重量
今天的内禀和外延半导体以及它们驱动的先进芯片，与它们的前身真空管相比，体积极小且重量轻。由于制造技术的进步，今天的半导体微芯片驱动着人工智能 (AI)、机器学习 (ML) 和生成式人工智能（生成式 AI）技术，能够实现微型化，使得它们驱动的设备既紧凑又高效。
电力效率
半导体的设计旨在消耗比其前身更少的电力，这一特点对于提升现代技术的能效至关重要，例如电动汽车和数据中心。制造半导体所用材料可以减少在开关和转换过程中产生的功率损耗，从而显著提高设备的效率。半导体芯片在许多可再生能源系统中发挥着重要作用，例如太阳能电池板和风力涡轮机，同时还延长了便携电子设备如笔记本电脑和手机的电池寿命。
可靠性
由于在制造过程中采用了严格的标准，半导体具有高度可靠性和较长的使用寿命。半导体器件，例如飞机和高性能计算 (HPC) 中使用的先进芯片，都要经过严格的测试。与其他类似设备相比，它们可以承受严重的磨损，并且使用寿命长。
处理速度更快
现代半导体芯片具有世界上最快的处理速度之一，每秒执行数十亿条指令。例如，智能手机上的常用实时应用程序依赖于现代半导体的快速处理速度才能正常运行。随着生成式 AI 等新技术不断推高计算环境的要求，半导体将在新系统和应用程序的研究和开发中发挥重要作用。
自定义
半导体具有高度可定制性，这意味着有特定用例的工程师可以根据自身需求，以最佳方式对其进行设计。例如，特定应用集成电路 (ASIC) 是为特定计算任务设计的专用半导体芯片，而不是通用计算。ASIC 可以进行优化以适应不同的用途，例如先进的网络、加密货币挖矿、消费电子产品等。
半导体用例
半导体是现代电子设备的核心基础，其应用场景已覆盖众多行业领域。以下是一些最常见的例子。
消费电子产品
半导体和半导体器件，如集成电路 (IC)、传感器和半导体芯片，广泛应用于许多不同的消费电子设备中。从智能手机和笔记本电脑到智能家电、虚拟助手、电视等，半导体支撑着大多数消费者在个人生活和职业生活中已依赖的科技设备。
汽车
现代汽车配备了许多人们已从智能手机和电脑习以为常的功能，例如语音识别、无线连接以及多种媒体流传输能力。半导体芯片是支撑汽车实现这些功能的技术基础，使乘客能够访问互联网、收听语音邮件和短信的朗读、接收导航路线等多种服务。
医疗设备
半导体和半导体芯片在医疗领域变得至关重要，是各种医疗设备和应用正常运行的基础。半导体为医疗成像、诊断、患者监测等设备提供动力，使得帮助改善患者治疗和结果的关键数据能够近乎实时地传输。
智能制造
智能制造，也称为工业 4.0，是将物联网 (IoT)、AI 和云计算等新兴数字技术整合到制造过程中。在智能制造中，半导体和半导体芯片为先进的传感器、嵌入式软件和机器人提供动力，这些传感器、软件和机器人可以在工厂环境中收集和分析数据，从而帮助简化过时、低效的流程。
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