聊聊那些藏在电子设备里的 “神奇材料”—— 半导体二三事

平时我们用的手机、电脑、平板，还有家里的智能电视、路由器，这些电子产品能正常工作，背后都离不开一种很关键的材料 —— 半导体。可能有人会觉得 “半导体” 这三个字听起来挺专业，有点距离感，但其实它和我们的日常生活息息相关。接下来就用你问我答的方式，一起聊聊半导体材料那些事儿，尽量说得通俗好懂，不让大家听得云里雾里。

1. 首先得搞清楚，到底啥是半导体啊？和我们平时说的导体、绝缘体有啥不一样？

简单说，半导体就是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。你想啊，像铜、铝这些金属，电流特别容易通过，它们就是导体，平时家里电线用的就是铜芯；而像塑料、橡胶这些，电流很难穿过去，就是绝缘体，电线外面包的那层保护套就是绝缘体。半导体呢，就卡在中间，有时候能导电，有时候又不太容易，而且它的导电能力还能通过一些方法改变，比如加电压、掺点其他东西，这也是它最特别的地方，不然也没法用来做电子设备里的核心部件啦。

2. 那常见的半导体材料有哪些啊？是不是就只有一种？

当然不是啦，半导体材料家族还挺庞大的。最常见、用得最多的应该是硅，咱们平时说的芯片，大部分都是用硅做的，因为硅在自然界里含量特别丰富，比如沙子里就有不少，而且提纯和加工技术也很成熟，成本相对来说比较低。除了硅之外，还有锗，不过锗现在用得少多了，早期有些半导体器件会用它。另外还有化合物半导体，比如砷化镓、磷化铟这些，它们在一些特殊场景里很有用，比如做手机里的射频芯片、卫星通信设备里的器件，因为它们在高频、高速方面的性能比硅要好不少。还有像碳化硅、氮化镓这些宽禁带半导体，现在在新能源汽车的充电桩、逆变器，还有 5G 基站里也用得越来越多了。

（此处插入图片：一张展示不同半导体材料形态的图片，左侧是硅晶圆，中间是砷化镓晶体，右侧是碳化硅芯片，图片下方有简单的文字标注）

3. 刚才提到了 “禁带”，这玩意儿是啥意思啊？能不能说得通俗点？

“禁带” 其实是描述半导体内部电子能量状态的一个概念，咱们不用搞得太复杂，打个比方你就明白了。你可以把半导体里的电子想象成在不同楼层里活动的人，一楼是电子平时待的地方，叫做 “价带”，电子在价带里的时候，是没法自由移动的，所以这时候材料不能导电。三楼是电子可以自由移动的地方，叫做 “导带”，电子跑到导带里之后，就能自由移动了，材料就能导电了。而二楼呢，就是 “禁带”，这里就像一个空楼层，电子不能在二楼待着，必须从一楼直接跳到三楼，或者从三楼跳回一楼。禁带的宽度，就相当于一楼到三楼之间的高度差。不同的半导体，禁带宽度不一样，比如硅的禁带宽度比较小，砷化镓的比硅大一点，碳化硅、氮化镓的禁带宽度就更大了，这也是它们性能不一样的重要原因。比如禁带宽度大的半导体，能承受更高的电压和温度，所以适合用在高压、高温的环境里。

4. 硅既然这么常见，那它是怎么从沙子变成我们看到的硅晶圆的啊？过程复杂吗？

这个过程可太复杂了，而且对精度要求特别高，一步都不能错。首先，沙子里的主要成分是二氧化硅，得先把二氧化硅和碳放在高温炉里反应，生成粗硅，不过这时候的粗硅纯度很低，里面有很多杂质，根本没法用。接下来就要提纯，把粗硅变成高纯度的多晶硅，这个提纯过程很关键，要把纯度提到 99.9999999% 以上，也就是九个九以上的纯度，不然杂质太多会影响半导体的性能。然后，再把多晶硅放在一个叫做 “直拉炉” 的设备里，通过加热让它融化，然后用一根小的硅晶种（就像种子一样）慢慢放进去，一边旋转一边往上拉，这样融化的硅就会沿着晶种慢慢结晶，长成一根长长的硅棒，叫做单晶硅棒。最后，把单晶硅棒切成薄薄的圆片，再经过打磨、抛光，让表面变得特别平整、光滑，这就是我们平时看到的硅晶圆了，之后芯片制造就是在硅晶圆上一层一层做电路。

5. 那在硅晶圆上做电路的时候，为啥还要往里面掺东西啊？掺的都是啥？

往硅里面掺东西，专业上叫做 “掺杂”，这可是制造半导体器件的核心步骤之一。因为纯的硅在常温下导电能力其实不怎么样，通过掺杂就能改变它的导电能力，还能做出不同类型的半导体区域，比如 N 型半导体和 P 型半导体，然后利用 N 型和 P 型半导体接触的地方形成的 “PN 结”，来实现二极管、三极管这些基本半导体器件的功能。掺的东西主要有两类，一类是掺磷、砷这样的元素，它们的原子最外层有 5 个电子，掺到硅里面之后，会多出一个自由电子，这样的半导体就叫做 N 型半导体，主要靠电子导电；另一类是掺硼这样的元素，它们的原子最外层有 3 个电子，掺到硅里面之后，会形成一个 “空穴”（可以理解成缺少一个电子的位置），电子会往空穴的方向移动，相当于空穴在移动，这样的半导体就叫做 P 型半导体，主要靠空穴导电。而且掺杂的量要控制得特别精确，差一点点都会影响器件的性能。

6. 刚才说到了 PN 结，那 PN 结到底有啥用啊？为啥它这么重要？

PN 结可以说是所有半导体器件的 “基础积木”，没有 PN 结，很多半导体器件都做不出来。PN 结最主要的特性就是 “单向导电性”，也就是说电流只能从一个方向流过去，从另一个方向流不过去，就像一扇只能单向打开的门。比如我们平时用的二极管，其实就是一个 PN 结，它可以用来整流（把交流电变成直流电）、检波（从高频信号里提取出低频信号），还有发光二极管（LED），也是利用 PN 结在通电时发光的特性做出来的。另外，三极管、场效应管这些能放大信号或者开关电路的器件，里面也都有 PN 结，甚至像芯片里的逻辑电路、存储单元，基本都是由很多个基于 PN 结的器件组成的。所以说，PN 结是半导体技术的核心，理解了 PN 结，就能理解很多半导体器件的工作原理了。

7. 化合物半导体比如砷化镓，既然性能比硅好，那为啥不都用它来做芯片啊？

这个问题问得好，虽然砷化镓这些化合物半导体在高频、高速、光电转换这些方面比硅强，但它们也有很多缺点，导致没法完全替代硅。首先就是成本太高了，砷化镓的原材料本身就比硅贵，而且它的提纯、晶体生长、加工工艺都比硅复杂得多，生产难度大，所以做出来的芯片成本自然就高，一般只用在对性能要求特别高，而且不在乎成本的场景，比如卫星通信、雷达、高端射频芯片这些地方，要是用它来做手机里的 CPU、电脑里的显卡，那成本就太高了，普通人根本买不起。其次，砷化镓的晶体质量和硅比起来还是有差距，而且它的尺寸也做不大，硅晶圆现在最大已经能做到 12 英寸（直径 300 毫米）了，而砷化镓晶圆一般最大也就 6 英寸，这就导致在同样大小的晶圆上，能做的芯片数量比硅少很多，进一步推高了成本。另外，硅的集成度特别高，现在一块硅芯片上能集成几十亿甚至上百亿个晶体管，而砷化镓很难做到这么高的集成度，所以在需要大规模集成的场景里，硅还是更有优势。

8. 碳化硅和氮化镓这些宽禁带半导体，听着挺厉害的，它们具体有啥特别的应用啊？

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这些宽禁带半导体，最大的优势就是能承受高电压、高温度，而且能量损耗特别低，所以在需要高压、高温、高效率的场景里特别好用。比如在新能源汽车里，碳化硅可以用来做逆变器（把电池的直流电变成驱动电机的交流电）和车载充电器，用了碳化硅之后，逆变器的效率能提高不少，这样就能减少能量损耗，让汽车的续航里程增加，而且还能把逆变器做得更小、更轻。在充电桩方面，用碳化硅或者氮化镓做的充电桩，充电速度更快，体积也更小，比如现在的超快充充电桩，很多都用到了这些宽禁带半导体。另外，在 5G 基站里，氮化镓可以用来做功率放大器，因为它在高频下的效率很高，能减少基站的能耗，而且体积小，方便安装。还有像工业领域的变频器、电焊机，以及航空航天领域的一些高温、高压器件，也都会用到碳化硅和氮化镓。

9. 半导体材料是不是都特别脆啊？平时拿的时候是不是要特别小心？

大部分半导体材料确实都比较脆，尤其是像硅、砷化镓、碳化硅这些晶体材料，它们的硬度虽然不低，但韧性很差，稍微受到一点撞击或者弯曲，就容易裂开或者碎掉。比如硅晶圆，虽然看起来是硬硬的圆片，但如果用手不小心掰一下，或者掉在地上，很容易就碎了，而且碎了之后的边缘还特别锋利，容易划伤手。所以在生产和搬运半导体材料的时候，都有专门的工具和保护措施，比如用特殊的包装盒、吸笔（靠真空吸附来拿取晶圆），而且操作人员都要戴手套，避免手上的油脂或者杂质污染材料，同时也防止材料破碎划伤手。不过我们平时用的电子产品里的芯片，都已经封装好了，外面有塑料或者陶瓷的外壳保护，所以不用太担心会碎掉，只要不是故意摔打或者挤压，一般都没问题。

10. 半导体材料对环境的要求是不是特别高啊？比如温度、湿度这些？

对，半导体材料的生产和储存环境要求特别苛刻，一点点环境变化都可能影响材料的质量，进而影响后续芯片的性能。首先是温度，生产半导体材料的车间，温度必须控制在一个很窄的范围内，比如 23℃左右，上下波动不能超过 1℃，如果温度变化太大，材料在加工过程中可能会出现应力，导致变形或者开裂。然后是湿度，湿度也得严格控制，一般要保持在 40% – 60% 之间，如果湿度过高，材料表面容易吸附水分，可能会导致氧化，或者在后续的光刻、镀膜等工序中出现问题；如果湿度过低，空气中容易产生静电，静电可能会损坏半导体材料里的电子结构，影响性能。另外，空气中的灰尘和杂质也必须控制到极低的水平，生产半导体的车间叫做 “洁净室”，里面的空气洁净度是普通环境的几十万甚至上百万倍，工作人员进去都要穿专门的无尘服、戴口罩和手套，防止头发、皮屑、灰尘等杂质进入车间，污染材料。

11. 有没有柔性的半导体材料啊？就是那种可以弯曲的，不像硅那么硬邦邦的？

当然有啦，现在柔性半导体材料也是一个挺热门的研究方向，而且已经有一些实际应用了。比如有机半导体材料，像一些聚合物、小分子有机物，它们就具有一定的柔性，可以做成柔性的薄膜。还有像氧化锌、硫化镉这些无机半导体，也可以做成柔性的纳米薄膜。这些柔性半导体材料主要用在柔性电子设备上，比如柔性显示屏，现在有些手机和手表的屏幕就可以稍微弯曲，还有柔性的传感器，比如贴在皮肤上的健康监测传感器，能随着皮肤的活动而弯曲，不会影响舒适度。另外，还有柔性的太阳能电池，比如可以贴在背包上、帐篷上的太阳能电池板，方便携带，而且能适应不同的曲面。不过目前柔性半导体材料的性能，比如导电能力、稳定性，和硅比起来还有一定差距，而且成本也比较高，所以主要用在一些特殊的柔性电子场景，还没法替代硅在主流芯片里的应用。

12. 半导体材料会不会老化啊？用久了性能会不会下降？

会的，半导体材料和其他材料一样，用久了也会出现老化现象，性能会慢慢下降，甚至失效。导致半导体材料老化的原因有很多，比如温度，长期在高温环境下工作，半导体材料内部的原子可能会发生迁移，导致掺杂的杂质分布不均匀，或者出现一些缺陷，从而影响导电性能。还有电压，长期承受过高的电压，可能会导致半导体材料内部出现击穿损伤，比如 PN 结被击穿，这样器件就没法正常工作了。另外，环境中的湿度、氧气、辐射等因素，也会加速半导体材料的老化，比如氧气会导致材料表面氧化，形成氧化层，影响电流的通过；辐射可能会在材料内部产生缺陷，改变材料的电学特性。不过在实际应用中，芯片都会进行封装，而且在设计的时候会考虑到老化问题，比如预留一定的性能余量，控制工作温度和电压在安全范围内，所以正常使用的情况下，半导体器件的寿命还是比较长的，比如手机、电脑里的芯片，用个几年甚至十几年都没问题，除非是遇到极端情况，比如高温、高压、进水等，才会加速老化或者损坏。

13. 我们平时生活中，除了电子设备，还有哪些地方会用到半导体材料啊？

其实半导体材料的应用范围比我们想象的要广得多，除了手机、电脑、电视这些常见的电子设备，还有很多地方都在用。比如照明领域，现在家里用的 LED 灯，里面的发光二极管就是用半导体材料做的，像氮化镓、磷化镓这些；还有交通信号灯、广告牌上的 LED 灯，也都是半导体材料的应用。在能源领域，太阳能电池板里也用到了半导体材料，比如单晶硅、多晶硅太阳能电池，就是利用半导体的光电效应，把太阳能转换成电能；还有刚才提到的新能源汽车里的充电桩、逆变器，也用到了碳化硅、氮化镓。在医疗领域，很多医疗设备比如 CT 机、核磁共振仪里的电子元件，还有血糖监测仪、心电监护仪里的传感器，也都离不开半导体材料。另外，像冰箱、空调里的温控器，洗衣机里的控制芯片，甚至是玩具里的电子元件，里面都有半导体材料的身影，可以说半导体材料已经渗透到我们生活的方方面面了。

14. 半导体材料是不是都有毒啊？比如砷化镓里的砷，听起来就挺吓人的。

确实有一部分半导体材料是有毒的，比如砷化镓里的砷，是有毒元素，如果处理不当，比如在生产过程中产生的砷化物废气、废水，或者砷化镓材料破碎后被人吸入或误食，都会对人体造成危害，还会污染环境。还有像磷化铟里的磷，在高温下也可能产生有毒的气体。不过大家不用太担心，因为在正规的半导体生产企业里，都有严格的安全防护措施和环保处理流程，比如生产车间里会有专门的废气处理系统，把有毒气体处理达标后再排放；废水也会经过处理，达到环保标准后再排放；操作人员在接触这些有毒材料的时候，会穿专门的防护服、戴防毒面具和手套，防止直接接触。而且我们平时用的电子产品里的芯片，都已经经过封装，有毒的半导体材料被密封在外壳里面，不会泄露出来，所以正常使用的时候，不会对我们的健康造成影响。不过如果是废弃的电子产品，也就是电子垃圾，需要送到专门的回收机构处理，不能随便丢弃，不然里面的有毒半导体材料可能会泄露出来，污染土壤和水源。

15. 能不能自己在家简单做点半导体材料相关的小实验啊？比如看看 LED 灯的原理之类的？

当然可以啦，在家做一些简单的半导体相关小实验，既能满足好奇心，还能直观地了解半导体的一些特性，不过一定要注意安全，而且实验规模要小，不能搞复杂的。比如你可以买几个不同颜色的 LED 灯珠（红色、绿色、蓝色的都可以），再准备一节 5 号电池和几根导线，还有一小块面包板（方便接线，没有的话也可以用导线直接连接，但要注意不要短路）。然后按照正确的极性把 LED 灯珠、电池和导线连接起来，你会发现 LED 灯珠亮了，如果把电池的正负极反过来接，LED 灯珠就不亮了，这就能直观地看到 PN 结的单向导电性，因为 LED 灯珠就是一个 PN 结，电流只能从正极流向负极，反过来就流不过去，所以不亮。你还可以观察不同颜色的 LED 灯珠，看看它们的发光颜色和电压有没有关系，比如红色 LED 的工作电压大概在 1.8V – 2.2V 左右，绿色的大概在 2.0V – 2.4V 左右，蓝色的大概在 3.0V – 3.6V 左右，这其实和它们所用的半导体材料的禁带宽度有关，禁带宽度不同，发光的波长（也就是颜色）和需要的电压也不一样。不过要注意，LED 灯珠不能直接接在高电压上，比如 220V 的家用电压，不然会直接烧坏，而且接电池的时候，最好在电路里串联一个小电阻，限制电流，防止电流太大把 LED 灯珠烧坏。另外，实验的时候要注意不要让导线短路，不然电池会发烫，甚至可能损坏。