【什么是半導體】
半導體（ Semiconductor），指常溫下導電性能介于導體（Conductor）與絕緣體（Insulator）之間的材料。其導電性可受控制，范圍可從絕緣體至導體之間的材料，可作為信息處理的元件材料。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導體材料中，在商業應用上最常見且最具有影響力的一種。從科技或是經濟發展的角度來看，半導體非常重要，很多電子產品，如計算機、手機、智能終端，汽車等的核心控制單元都是利用半導體的電導率變化來處理信息。
絕緣體：電導率較低，約介于20－18S/cm～10－8S/cm, 如熔融石英及玻璃。
導 體： 電導率較高，介于104S/cm～106S/cm，如鋁、銀等金屬。
半導體：電導率則介于絕緣體及導體之間。
最常見的半導體材料，就是地表含量最多的硅(Si)，硅原子本身具有四個價電子，分別位在sp3的四個軌域中，由于每個軌域需擁有2個電子，以形成八隅體的穩定狀態，正好在純硅中，每個硅原子都與四個硅原子相鄰，并且與這四個外圍硅原子共享軌域，形成硅原子間的共價結構，如圖所示，此種共價結果相當穩定，不存在自由電子，也因此純硅的導電性極差。
絕緣體：電導率較低，約介于20－18S/cm～10－8S/cm, 如熔融石英及玻璃。
導 體： 電導率較高，介于104S/cm～106S/cm，如鋁、銀等金屬。
半導體：電導率則介于絕緣體及導體之間。
最常見的半導體材料，就是地表含量最多的硅(Si)，硅原子本身具有四個價電子，分別位在sp3的四個軌域中，由于每個軌域需擁有2個電子，以形成八隅體的穩定狀態，正好在純硅中，每個硅原子都與四個硅原子相鄰，并且與這四個外圍硅原子共享軌域，形成硅原子間的共價結構，如圖所示，此種共價結果相當穩定，不存在自由電子，也因此純硅的導電性極差。
【硅原子結構】
但是，如果我們在純硅中摻入少許的砷(As)或磷(P)，每個砷或磷原子會取代某個硅原子，仍與四個硅原子相鄰，需要四個電子以形成四個共價鍵，由于砷或磷原子的最外層有五個電子，卻只與硅共享四個電子，因而多出了一個可自由活動的電子，也就是自由電子，這種架構就是所謂的n型半導體，
摻砷或磷,多出自由電子
如下圖所示。如果我們在純硅中摻入少許的硼(B)，就反而少了一個電子，而形成一個電洞，這樣就形成p型半導體，此時若在硅晶兩端加電壓，就能使電子產生自由移動而顯著地增加其導電性。
摻硼,形成電子空穴
【分類】
半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。
鍺（Ge）和硅（Si）是最常用的元素半導體；元素半導體材料是指由單體元素構成的半導體材料，包括鍺、硅、硒、硼、碲、銻等。上世紀50年代，鍺占主導地位，由于鍺的開采成本高、儲量低和性能不如硅，鍺半導體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被硅材料取代，目前主要以硅基和化合物材料共生共存的半導體材料格局。
化合物半導體材料主要是由兩種或兩種以上元素構成的，主要有砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等。此類化合物半導體材料的優點有高電子遷移率、高頻率、寬幅頻寬、高線性度、高功率、材料多元性以及抗輻射等。
砷化鎵（GaAs）：主要運用于通訊領域，受益于通信射頻中的功率放大器（PA），GaAs微波射頻器件（射頻芯片、基帶芯片）越來越廣泛應用于移動手機、無線局域網絡、光纖通訊、衛星通訊、衛星定位、GPS 汽車導航等領域，市場占有率最高；
氮化鎵（GaN）：大功率、高頻性能更加出色，主要運用于軍事、汽車、新能源等領域；
碳化硅（SiC）：則主要運用于汽車及工業電力電子領域，在大功率轉換應用中優勢明顯。
隨著現代科學與技術的發展，硅材料在半導體制作上逐漸趨向物理極限，已經無法滿足一些超高規格電子產品對高功率，高頻率和高壓等苛刻條件。因此，可以通過以硅材料為襯底，化合物材料在硅材料外延生長制成單晶片，也能滿足射頻芯片、功率器件對高頻、高壓、高功率的需求，在一定程度上緩解了硅材料性質的劣勢。
但是要滿足90%以上基礎需求，硅基半導體有著更大的應用領域。硅基半導體主要運用于邏輯器件、存儲器、分立器件（功率二極管、三極管、晶閘管）等。主要用于AI、手機、IOT、5G通信領域。
一、半導體產品的類別應該怎么去區分呢？
按照國際通行的半導體產品標準方式進行分類，半導體可以分為四類：集成電路，分立器件，傳感器和光電子器件，這四類可以統稱為半導體元件
半導體的分類，按照其制造技術可以分為：集成電路器件，分立器件、光電半導體、邏輯IC、模擬IC、儲存器等大類，一般來說這些還會被分成小類。
以應用領域、設計方法等進行分類，雖然不常用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規模進行分類的方法。
按照其所處理的信號，可以分成模擬、數字、模擬數字混成及功能進行分類的方法。
二、為什么硅材料會被用在芯片材料呢？
理論上來說，所有半導體都可以作為芯片材料，但是硅材料為什么最適合做芯片，主要原因有下：
（1）按地球元素含量排行，依次為：氧＞硅＞鋁＞鐵＞鈣＞鈉＞鉀……可以看到硅排在了第二位，含量巨大，硅元素（石英砂）在地殼中占到27.7%，降低半導體的材料成本，這也讓芯片有了幾乎取之不盡用之不竭的原材料；
（2）硅元素化學性質和物質性質都十分穩定，最早的晶體管其實是使用半導體材料鍺來制作的，但是因為溫度超過75℃時，導電率會出現較大變化，做成PN結后鍺的反向漏電流比硅大，因此選取硅元素作為芯片材料更加合適；
（3）硅材料本身無毒無害，對環境無害，算是清潔能源。其實提純對環境污染也挺嚴重的，這也是其被選于用作芯片的制造材料的重要原因之一。
（4）天然絕緣體，可通過加熱形成二氧化硅絕緣層，防止半導體漏電現象，因此在晶圓制造時減去表面沉積多層絕緣體步驟，降低晶圓制造生產成本。
（5）制作工藝成熟，以硅材料制作的半導體硅片技術發展，從1970年的2英寸硅片進步至2020年的18英寸硅片。經過長時間的發展，與其他半導體材料相比較，硅材料的應用技術更加成熟且更具有規模效益，在這樣的條件下，硅材料顯得“物美價廉”，這樣的特質給予了硅材料不可替代的行業地位。
【晶圓制造原理】（參考書籍：《半導體故事》[英] 約翰·奧頓 著，姬揚 譯）
第一步：粗煉Si，用焦炭和石英砂在高溫電弧爐中反應，得到純度不高的Si。
方程式：SiO2+C→Si+CO2
第二步：用HCl精煉Si，利用CuCl作為催化劑，把Si轉化為SiHCl3（純度7個9），再通入H2通過化學氣相沉積法把SiHCl3轉化回Si（純度9個9）。
方程式：Si+HCl→SiHCl3+H2；SiHCl3+H2→Si+HCl
這里的Si是多晶硅，多晶硅存在晶格失配和位錯，會導致原子未排列在正確的位置上，在晶界存在電荷，這就會產生能帶彎曲。那么，自由電子和空穴在傳輸過程中就會被散射，大大降低了自由載流子的遷移率。這也是這一步中得到的Si不能投入使用的原因之一。
第三步：Si提純是提拉法（如圖），把熔化Si的放在石墨坩堝里面，使用感應法加熱（熱電偶），之后又放在石英容器里，通過純氫氣體作為清潔氛圍。再把作為種子的籽晶放在垂直棒的前端，再放入熔化的Si里面。因為籽晶表面會吸附熔化物，在垂直棒不斷緩慢旋轉和提拉的過程中（大約是每個小時提拉10cm），可以長出直徑比籽晶大得多的體材料晶體。這就是俗稱的提拉法。提拉法的巧妙之處之一是，通過軸的旋轉控制了溫度和幾何構性的不均勻性帶來的影響，使得Si不僅有極高的純度，還有良好的單晶性。
提拉法示意圖
第四步：切割單晶硅圓柱能得到片狀單晶硅晶圓。像集成電路需要的高純Si就是Si晶圓，從而構成了制造芯片的地基。
