內容簡介
菊地正典編寫的這本《科技時代的先鋒：半導體面面觀》可以讓更多人了解半導體，特別是關於矽和矽的積體電路(IC)。
為了讓中學生也能很好地理解半導體的相關內容，本書以“說明儘可能簡單通俗”為第一目標，同時注意“正確地把完整面貌呈現給讀者”。
本書從“半導體究竟是什麼”開始，進而說明“半導體有什麼性質和功能、具有這些性質和功能的原因”、“由半導體構成的積體電路是什麼”、“半導體和積體電路有哪些種類、是什麼構造”、“積體電路是如何製成的”、“半導體和積體電路在哪些領域使用”，最後介紹了“半導體技術領域的前沿”。
作者簡介
作者：(日本)菊地正典 譯者：史跡 譚毅
菊地正典，1968年畢業於東京大學工學部物理系。就職於日本電器株式會社後，一直從事半導體設備、製作工藝的開發。有了半導體開發和生產的經驗之後，擔任同一公司的半導體事業組主席技師長，NEC電設備主席技師長。從2002年起擔任社團法人、日本半導體製造裝置協會專業理事，2007年起任株式會社半導體能源研究所顧問。著作有《電學入門》、《最新半導體詳解》、《圖解電子電路》、《簡明半導體》、《半導體用語辭典》(合著)(日本實業出版社)等
圖書目錄
第1章 半導體基礎
001 介於導體和絕緣體之間的物質——半導體
002 半導體也有很多種① 半導體的種類
003 半導體也有很多種② 半導體的驕子——矽
004 固態矽的三種形態 單晶、多晶、非晶
005 矽半導體內的電傳導① 自由電子導電的n型矽
006 矽半導體內導電的物質② 空穴導電的p型矽
007 半導體中的電子和空穴是如何運動的？ 能帶和能帶理論①
008 半導體中的電子和空穴是如何運動的？ 能帶和能帶理論②
009 具有與矽不同特徵的半導體 由2種以上元素構成的“化合物半導體”
COLUMN 氧化物半導體和有機半導體
第2章 半導體器件
010 能阻礙電流流動的電阻 半導體製造的“電阻元件”
011 能暫時儲存電的電容 半導體製造的“電容元件”
012 使電流單向流動的器件 pn結二極體
013 把光變成電的半導體器件 光電二極體
014 把電變成光的半導體器件 發光二極體
015 通信和存儲方面的廣泛套用 半導體雷射
016 電晶體是什麼 代表性電晶體的種類
017 以電子作為載流子的MOS電晶體 n溝道型
018 以空穴作為載流子的MOS電晶體 p溝道型
019 讓移動設備成為可能 CMOS
020 用pn結作為柵極的電晶體 JFET
021 利用肖特基柵極的電晶體 MESFET
022 利用電子與空穴的電晶體 雙極型電晶體
COLUMN 電晶體的誕生
第3章 半導體積體電路——邏輯電路
023 將電子元器件和線路製作在半導體電路板上 積體電路
024 各種各樣的IC 根據結構、基板、信號不同而不同
025 晶片上能夠裝多少個元件 根據集成度進行的MOS-IC分類
026 IC都有什麼樣的功能 按功能對MOS-IC分類
027 邏輯電路的數學基礎 布爾代數
028 邏輯電路的基本組成要素“門電路”① NOT電路
029 邏輯電路的基本組成要素“門電路”② OR電路
030 邏輯電路的基本組成要素“門電路”③ AND電路
031 進行加法運算的電路 加法電路
032 進行減法運算的電路 減法電路
033 比較判斷信號大小的電路 比較電路和異或電路
034 實現作為計算機大腦功能的IC MPU
035 實現微機功能的IC MCU
036 處理數位訊號的特殊處理器DSP
037 根據使用者、用途不同而被專用化的IC ASIC
038 用戶可自己變更功能的邏輯電路 可程式邏輯器件PLD
039 在IC晶片上實現系統功能 系統LSI
040 被稱作電子眼的IC CCD
COLUMN 最早的電子計算機
第4章 半導體積體電路——存儲器
041 暫時記錄數據的電路 觸發器和暫存器
042 記憶信息的半導體的結構
043 計算機的主要存儲器 DRAM
044 不需要保存過程的高速存儲器 SRAM
045 製造階段記錄數據的存儲器 掩模式唯讀記憶體
046 切斷電源也可以持續記憶的存儲器 快閃記憶體
047 相同數量的存儲單元記憶容量增加 多值記憶體
COLUMN 微型化的指導原理——定標原理
第5章 IC的開發和設計
048 IC開發流程 從市場調查到上市
049 IC的分層設計 從系統設計到版圖設計
050 關於 IC的元件尺寸與位置關係的規則 設計標準
051 設計IC的結構和電特性 設備設計
052 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
053 矽元素無處不在
054 多晶矽是矽石經還原、轉化、蒸餾而成的
055 使單晶矽棒生長的CZ法
056 單晶棒切片以及磨麵加工
057 以毒製毒 晶體吸雜
058 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
059 IC的整體製造過程概觀 前工序和後工序
060 原件形成前工序的前半部分① FEOL
061 原件形成前工序的前半部分② FEOL
062 配線形成前工序的後半部分 BEOL
063 導體、絕緣體、半導體的薄膜形成技術 成膜工程
064 把掩膜形式轉變成晶片 光刻技術
065 材料膜腐蝕去除 蝕刻法
066 半導體裡加入雜質 熱擴散和離子注入
067 各種熱處理的作用 推進、回流、退火
068 晶片表面完全平整化 CMP
069 清潔晶片 清洗
070 判定晶片上晶片的優劣 晶片檢測和修飾
COLUMN 淨化車間
第8章 積體電路的製作方法②——後工序
071 把晶圓切割成一個個晶片 切割
072 晶片封裝 安裝
073 晶片電極和包裝接線柱的連線 金屬絲焊接
074 晶片封裝 密封
075 封裝接線端識別IC 引線鍍金、蓋印、成形
076 包裝的種類 通孔安裝和表面安裝
077 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
078 矽晶圓的大尺寸化 下一代晶圓是450mm
079 MOS電晶體高速化 應變矽技術
080 新結構MOS電晶體 被稱作最終的電晶體結構
081 光刻技術的未來① 浸沒式曝光和雙重曝光
082 光刻技術的未來② EUV
083 光刻技術的未來③ ML2和納米壓印
084 萬能的功能存儲器可以實現嗎① 功能存儲器的候選技術
085 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
086 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
087 新材料引進帶來的突破① 高-k柵極絕緣膜和金屬柵極
088 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
文摘
001 介於導體和絕緣體之間的物質――半導體
物質分為易導電和不易導電兩大類。能夠很好導電的物質稱為導體，幾乎不導電的物質稱為絕緣體。導體也稱為導電體或良導體，代表性的導體有金、銀、銅、鋁等金屬。絕緣體有聚乙烯、橡膠、硫、玻璃等。
作為物質的固有性質，導電性用電導率來表示。電導率用符號σ（西格瑪）表示，單位為S/m（西門子/米）。此外，電導率的倒數1/σ稱為電阻率。電阻率用ρ（肉）表示，單位為Ω・m（歐姆・米）。電阻率ρ是用來表示物質導電難易程度的物理量。
在單位橫截面積、單位長度的試樣兩端加上電壓V（伏特）時，若接線柱之間的電流為I（安培），有下式成立：V=ρI，I=σV根據電阻率ρ的大小，大體可按以下方法將導體和絕緣體分類：導體：ρ107Ω・m另外，電阻率處於導體和絕緣體之間的物質稱為半導體，即半導體：10-6Ω・m≤ρ≤107Ω・m半導體的英文為semiconductor，意思是semi（半）+conductor（導體）。半導體分為元素半導體、化合物半導體、氧化物半導體以及有機半導體等，（002）以後將分別說明。表1給出了以電阻率分類的各種物質。
●半導體電阻率的變化範圍是0～1013。
●半導體有單元素、化合物、氧化物、有機等許多種類。
表1 根據電阻率的物質分類
根據導電難易程度，處於導體和絕緣體之間的為半導體，電阻率為幾μΩ・m～10MΩ・m的半導體可分為元素半導體、化合物半導體、氧化物半導體、有機半導體4類。
導體中存在許多能夠自由移動的電子，絕緣體中的電子不能自由移動。半導體中同時存在能夠自由移動的電子和不能自由移動的電子。
002 半導體也有很多種
①半導體的種類
（001）中，我們已經對半導體是具有導體和絕緣體之間的電導率（或是電阻率）的物質進行了說明。半導體也是有很多種類的，在這裡，我們看一下半導體的種類。
如表1所示，半導體分為無機半導體和有機半導體，無機半導體又分為元素半導體、化合物半導體、氧化物半導體。元素半導體，顧名思義，是由單一元素形成的半導體，包括矽（Si）、鍺（Ge）、碳（C）、碲（Te）等。
化合物半導體是由兩種以上元素組成的化合物形成的半導體。化合物半導體根據構成元素的數量分為二元化合物半導體、三元化合物半導體等。二元化合物半導體，如砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、磷化銦（InP）、碳化矽（SiC）等。三元化合物半導體，如鋁鎵砷（AlGaAs）等。
氧化物半導體是由某種金屬的氧化物構成的半導體，如氧化鋅（ZnO）、銦錫氧化物（ITO）、銦鎵鋅氧化物（IGZO）等。
有機半導體由有機材料構成，如並四苯、蒽等。
半導體也分為不含雜質（導電型雜質）具有半導體性質的本徵半導體和摻入一定量雜質具有半導體性質的雜質半導體。
半導體這種物質除了電阻率介於導體和絕緣體之間以外，根據物質特有形態（如純度、存在形狀）和環境（如溫度、壓力、加速度）等的不同，電學性能也有很大變化。後續提到的很多電子裝置正是很好地利用了半導體的這些性質。
半導體分為不含雜質的本徵半導體和含有雜質的雜質半導體。
半導體根據狀態和環境的不同，電學性能也有很大變化。
表1 半導體的種類半導體分為有機半導體和無機半導體。被廣泛套用的無機半導體分為單元素半導體、化合物半導體、氧化物半導體。化合物半導體根據組成元素所處元素周期表中族和種類、數目進行詳細劃分。
與這種分類方法不同的還可以將半導體分為不含導電型雜質的本徵半導體和含雜質的雜質半導體003半導體也有很多種②半導體的驕子――矽（002）中所述的元素半導體中，目前套用最為廣泛的是矽（Si）。矽元素在地殼表面的相對平均含量（克拉克值）為25.8%，僅次於含量為49.5%的氧，位列第二，是極其常見的元素。表1中按由大到小的順序給出了主要元素的克拉克值。
矽是元素周期表第14號元素，屬於ⅠⅤ族。如圖1所示，矽原子由14個質子和14箇中子組成的原子核及環繞原子核周圍的14個電子組成，最外層軌道上有4個電子。矽原子在和其他矽原子或者別的原子結合時，形成4個化學鍵。相鄰的原子之間共同擁有2個電子，這種結合稱為共價鍵。
如圖2所示，矽原子與周圍4個矽原子以共價鍵結合形成規則排列的結構，稱為單晶矽。為了便於理解，圖2顯示的是平面結構，實際上應是立體結構。這個結構基本上與金剛石的晶體結構相同，稱為金剛石結構。
單晶矽的薄圓板稱為矽片，是製作許多半導體裝置的原材料。
因此矽片也稱為矽基板。
關於單晶矽和矽片的製作方法，將在第6章中詳細介紹。表2總結了矽材料的各種性質。矽的各種存在形態將在（004）中介紹。
半導體的代表性物質矽是常見元素。
由2個共價電子穩定結合而成的單晶矽。
表1 克拉克值
圖2 單晶矽的結構
模型共價鍵（covalentbond）：兩個矽原子互相拿出最外層的一個電子,原子間通過共有這兩個電子相結合金剛石結構：由兩個一組的電子穩定地結合而成。
單晶矽具有與金剛石相同的晶體結構圖
1 矽的原子結構表
2 矽的各種性質
後記
隨著時代的發展與科技的進步，半導體相關產品已經進入千家萬戶。在科研工作者的不懈努力和刻苦鑽研下，半導體正悄無聲息地改變著我們的生活。從手機到計算機，從飛機到產業機械，從日新月異的數碼產品到不斷發展的汽車行業，到處都可以看到半導體的身影，半導體材料和技術組成了所有這些電子設備，它們已經成為人類現代生活中必不可少的一部分，讓我們的日常生活變得豐富多彩。
為了讓人們對半導體有更好的了解，更好地普及半導體知識，原書作者菊地正典深入淺出地向我們展示了一個神奇的半導體世界。本書不同於以往學術性的書籍，用形象的語言、生動的圖片以及獨特的視角，向我們系統地介紹了半導體的基礎、特性、生產以及套用等各個方面，使半導體知識更通俗易懂地為讀者所接受。
作為相關行業的科技人員，我們深深地感受到半導體領域所帶來的巨大套用價值和廣闊發展前景。讀罷此書，我們更體會到把這本書引進中國、讓越來越多的中國讀者更好地了解和認識半導體的重要性。在出版社的大力支持下，在同其他譯者的共同努力下，原書的翻譯和校對工作終於完成了。在翻譯過程中，我們力爭以最通俗的方式讓讀者理解書中內容，但由於自身局限性造成翻譯不當等瑕疵之處，還請讀者批評指正。
在本書的翻譯過程中我們得到了各界朋友的幫助和指導，特別感謝大連理工大學材料學院08屆日語強化班的楊陽、欒健、鄧志瑩、鄒傑、楊旭楓等同學。特別感謝本書的責任編輯唐璐女士。本書的出版凝結了很多人的辛勤和汗水，在此一併表示感謝。
譯者
序言
半導體被套用於幾乎所有的電子設備中，可以說半導體從根本上支撐著現代社會。例如，個人計算機、手機等便攜設備，複印機等辦公自動化設備，以及家電、遊戲機、數位相機、導航系統、汽車、飛機、電車、IC卡等，不勝枚舉。很難找到不使用半導體的電子設備，因此半導體被稱為“產業的食糧”。
生活里不可或缺的半導體材料中最具有代表性的是矽，其在地殼中的含量位居第二，含量豐富，可以說是“天賜良材”。
這本書可以讓更多人了解半導體，特別是關於矽和矽的積體電路(IC)。
為了讓中學生也能很好地理解半導體的相關內容，本書以“說明儘可能簡單通俗”為第一目標，同時注意“正確地把完整面貌呈現給讀者”。
本書從“半導體究竟是什麼”開始，進而說明“半導體有什麼性質和功能、具有這些性質和功能的原因”、“由半導體構成的積體電路是什麼”、“半導體和積體電路有哪些種類、是什麼構造”、“積體電路是如何製成的”、“半導體和積體電路在哪些領域使用”，最後介紹了“半導體技術領域的前沿”。
同時專欄(COLUMN)等內容，也介紹了一些半導體產業的相關事項。如果讀者通過這本書對半導體的興趣和理解能稍有加深，筆者將不勝欣慰。
菊地正典
