什麼是半导体 ?

半导体

semiconductor

电导率(conductivity)介于金属和绝缘体(insulator)之间的固体材料。半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等。

本征半导体(intrinsic semiconductor) 没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论)，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带(conduction band)，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴(hole)，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子 - 空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子(free carrier)，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子-空穴对消失，称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子 - 空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。

杂质半导体(extrinsic semiconductor) 半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，一般可分为n型半导体和p型半导体。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(donor)杂质，相应能级称为施主能级,位于禁带上方靠近导带底附近。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢浅能级-施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属电子导电型，称为n型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对，所以在n型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。相应地，能提供空穴载流子的杂质称为受主(acceptor)杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是受主能级。由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型，称为p型半导体。在p型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。

晶圆就是单晶硅圆片，由普通的硅沙拉制提炼而成，是最常见的半导体材料。

按其直径分为4?、6?和8?，近年发展了12?甚至更大规格。晶圆越大在

同一圆片上可安排的集成电路就越多，可降低成本，但要求材料技术和生产技术

更高。

中科院自研芯片完成自主化，成功实现性能翻倍，RISC-V架构已然崛起！

在整个相关限制的背景之下，中国半导体产业看似摇摇欲坠，但实则顶着巨大的压力，已经逐步找到了前进的方向，以美引导的芯片产业链，已然发生了转变！

芯片的制造成型主要分为三个阶段，分别为研发设计、制造成型以及封装测试，高通、华为、苹果等等企业，都是研发设计阶段的佼佼者，而台积电和三星则是制造成型阶段的顶尖，封装测试工艺相对来说比较容易突破，因此常常被人所忽略，但实则也是非常重要的一个环节。

在后摩尔定律时代，芯片制程工艺进一步缩小，不仅难度非常大，而且能够提升的性能也非常有限， 台积电、英特尔等等一众芯片厂商，也逐步开始调整方向，成立以封装测试工艺为主的“小芯片联盟”。

目前市场上主导的“双芯叠加”工艺，已经在AMD以及苹果的芯片上验证成功，也很好的证实了封装工艺对芯片性能提升的可行性，但实际上除了这些之外，制造芯片难度，远比我们想象的要复杂的多， 而这一次中科院实现的芯片自主化，很好的提升了国产芯片的整体水平。

看似简单的芯片研发设计，其中可蕴含着诸多的核心技术，而其中架构和EDA设计软件是至关重要的，虽然华为能够设计出5nm的芯片，但是在这两项技术上，依然需要高度依赖于海外的技术。

目前移动端的芯片被ARM架构垄断了，而桌面端的芯片则被X86架构给垄断了，两大架构在移动端、PC端可以说完全是“横”着走，根本找不到任何的竞争对手。

X86架构源于美企英特尔，自然在相关限制之下，和国内的合作也会受到限制，但ARM架构的技术是完全自主化的，此前也一直保持中立状态，并没有中断和华为的合作，但这一次却中断了和俄市场的合作，这不得不让我们对其国际市场合作态度进行重新的考量。

虽然并没有中断合作，但ARM最新的架构，截止目前并没有授权给华为，在相关限制持续升级之下，中断合作也并非没有可能，好在目前国内已经找到了可替代的架构RISC-V，目前已经有多款国产芯片搭载这个架构了。

RISC-V是国际上完全开放使用的架构，核心技术并没有归属于哪个国家，因此相关限制也影响不到它，关键还是永久免费使用的，显然国产芯片想要彻底的崛起，就要避免被ARM以及X86架构框住，而RISC-V就是一个最佳的选择。

目前国内多家芯片厂商，都开始研发RISC-V架构了，而阿里的达摩院就已经推出了多款芯片，而很早之前中科院就入局了RISC-V架构，芯片被命名为了“香山”，架构的名字叫“雁栖湖”，目前已经有了成片。

第一代的香山芯片，搭载的是台积电28纳米工艺，裸片的面积为6.6平方毫米，配备了单核二级缓存1MB，功耗仅为5W，基于SPEC CPU2006的性能测试，整体性能表现为9@1.3GHz。

技术水平ARM架构的A72/A73，此前华为麒麟的960/970就是采用这系列的架构，整体性能表现为7/GHz左右，虽然和现阶段的7nm以下芯片没得比，但国产化水平却非常高，还是非常值得期待的。

而中科院第二代的芯片要来了，采用的同样是RISC-V架构，新款香山芯片的核心被命名为了“南湖”，由于在和台积电合作上受到限制，因此这次将采用中芯国际的14nm工艺代工，最终的目标是 2GHz！

根据中科院的实测，第二款的芯片在SPEC CPU2006的测试成绩为20，相比于第一代直接实现了翻倍，而在这个水平上，丝毫不会输于其它的芯片厂商，交由中芯国际代工之后，在国产化概率上也实现了最大的提升，

相关限制实施之后，国产芯片领域不断迎来了技术突破，在中科院以及各大企业的努力之下，肯定是能够实现技术突破的，对此你们是怎么看的呢？

Design House――独立的第三方设计室。如同路边不起眼的野花，起初这些个“设计室”挂牌营业的本意，大概只是想静悄悄地找块领地吸吮属于自己的那份雨露，但它们毫无征兆的“成片怒放”，却于不经意间产生了一种另类震撼力。人们惊奇地注意到，在围绕着芯片与整机产业链聚集起来的“中国大制造”板块中，竟还有这样一个生长旺盛的群落。

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