科技時代的先鋒：半導體面面觀（簡體書）

在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現象，其中都必定包含著科學的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。面對未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科學”趣味科普叢書，把我們身邊方方面面的科學知識活靈活現、生動有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收穫這些鮮活的科學知識！筆記本電腦中CPU的存儲功能當然不必說了，從先進的智能家電到高性能的汽車，幾乎所有的設備中都必不可少半導體器件和集成電路。正是技術人員們無窮的創意、智慧和辛勤，我們才享受到了如此尖端的科技，就讓我們從這些豐富的彩圖當中來瞭解一下半導體以及這其中凝結著的人類智慧吧！本書適合青少年讀者、科學愛好者以及大眾讀者閱讀。·

施漢昌，博士，清華大學環境學院教授。1982年畢業於清華大學土木與環境工程系。1989～1990年英國水研究中心訪問學者，1994年美國Michigan大學高級訪問學者，2002年加拿大Alberta大學訪問教授，2003年美國Stanford大學訪問教授，2007年瑞典隆德大學訪問教授。長期從事水污染控制的理論與技術研究，在污水生物處理反應器、反應動力學和生物傳感器等方面取得了大量的研究成果，積累了豐富的經驗。多次擔任國家科技攻關項目、“863”項目等重大研究課題的負責人。在國內外期刊上發表學術論文300余篇，曾獲中國環境科學學會“環境科學優秀科技工作者”稱號。·

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，特別是關于硅和硅的集成電路(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“說明盡可能簡單通俗”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“半導體究竟是什么”開始，進而說明“半導體有什么性質和功能、具有這些性質和功能的原因”、“由半導體構成的集成電路是什么”、“半導體和集成電路有哪些種類、是什么構造”、“集成電路是如何制成的”、“半導體和集成電路在哪些領域使用”，最后介紹了“半導體技術領域的前沿”。

半導體被應用于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，復印機等辦公自動化設備，以及家電、游戲機、數碼相機、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硅，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，特別是關于硅和硅的集成電路(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“說明盡可能簡單通俗”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“半導體究竟是什么”開始，進而說明“半導體有什么性質和功能、具有這些性質和功能的原因”、“由半導體構成的集成電路是什么”、“半導體和集成電路有哪些種類、是什么構造”、“集成電路是如何制成的”、“半導體和集成電路在哪些領域使用”，最后介紹了“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

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①008 半導體中的電子和空穴是如何運動的? 能帶和能帶理論②009 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結二極管013 把光變成電的半導體器件 光電二極管014 把電變成光的半導體器件 發光二極管015 通信和存儲方面的廣泛應用 半導體激光016 晶體管是什麼 代表性晶體管的種類017 以電子作為載流子的MOS晶體管 n溝道型018 以空穴作為載流子的MOS晶體管 p溝道型019 讓移動設備成為可能 CMOS020 用pn結作為柵極的晶體管 JFET021 利用肖特基柵極的晶體管 MESFET022 利用電子與空穴的晶體管 雙極型晶體管COLUMN 晶體管的誕生第3章 半導體集成電路——邏輯電路023 將電子元器件和線路製作在半導體電路板上 集成電路024 各種各樣的IC 根據結構、基板、信號不同而不同025 芯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 MPU035 實現微機功能的IC MCU036 處理數字信號的特殊處理器 DSP037 根據使用者、用途不同而被專用化的IC ASIC038 用戶可自己變更功能的邏輯電路 可編程邏輯器件PLD039 在IC芯片上實現系統功能 系統LSI040 被稱作電子眼的IC CCDCOLUMN 最早的電子計算機第4章 半導體集成電路——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 DRAM044 不需要保存過程的高速存儲器 SRAM045 製造階段記錄數據的存儲器 掩模式只讀內存046 切斷電源也可以持續記憶的存儲器 閃存047 相同數量的存儲單元記憶容量增加 多值內存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 單晶棒切片以及磨面加工057 以毒制毒 晶體吸雜058 矽晶片派生物 外延生長晶片和SOICOLUMN 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 FEOL061 原件形成前工序的前半部分② FEOL062 配線形成前工序的後半部分 BEOL063 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 CMP069 清潔晶片 清洗070 判定晶片上芯片的優劣 晶片檢測和修飾COLUMN 淨化車間第8章 集成電路的製作方法②——後工序071 把晶圓切割成一個個芯片 切割072 芯片封裝 安裝073 芯片電極和包裝接線柱的連接 金屬絲焊接074 芯片封裝 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450mm079 MOS晶體管高速化 應變矽技術080 新結構MOS晶體管 被稱作最終的晶體管結構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 EUV083 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·