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？(图解)

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。

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

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。

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

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。

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

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。

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

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。

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

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。