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芯片研究|半导体、芯片、集成电路、晶圆之间有什么区别

2025-12-05 10:41:10

不仅外行,连很多业内人士也并未理解此间差异,具体来说,半导体是一种材料,晶圆是将半导体材料打磨成规定大小形状厚度的产物,芯片指晶圆上的某一管芯,集成电路是芯片的一种,逐条分析:

1、晶圆

先说半导体和晶圆,各位聚餐时,见过那种大圆盘吧?

这玩意放在桌面,饭菜置于其上,转动圆盘,方便各个位置的人夹菜。

圆盘的材料是什么?是玻璃,将玻璃按照规定大小、厚度、形状打磨,产物即为圆盘,同样,如果以半导体为材料,按照规定大小(4/6/8/12英寸)、厚度(XX微米)及形状(圆形)打磨,产物即为晶圆。

2、半导体

那么,作为晶圆的物理载体,半导体是一种怎样的材料?

这就不得不提到,从导电性的角度,对材料的区分——绝缘体、半导体和导体,为什么有些材料的导电能力如此优异,有些材料却对电流深恶痛绝?更有些材料,可以在二者之间切换,对电流,有时来者不拒,有时大门紧闭?

从物理学家玻尔说起,1911年,哥本哈根大学的博士毕业名单中,出现了尼尔斯·玻尔(NielsBohr)的名字,玻尔的博士论文,名为《StudiesontheElectronTheoryofMetals》,研究对象,是当时尚不成熟的电子理论。

此后数年,玻尔远赴英国,在剑桥和曼彻斯特留下足迹。这段经历使玻尔了解到当时的两种原子模型:汤姆逊的“葡萄干布丁模型”,卢瑟福的“原子行星模型”,前者认为,原子是一个带正电的“均匀球体”,带负电的电子镶嵌其中,整体呈电中性,电子在原子中的分布,类似分散嵌于布丁各处的葡萄干,故称“葡萄干布丁模型”。

后者认为,原子中心存在一个直径极小但质量极大的带正电原子核,电子绕核运动,电子在原子中的分布,类似行星围绕太阳,故称“原子行星模型”。两者均不够完善,诸多现象无法得到合理解释。

玻尔创造性地将量子理论运用于卢瑟福模型,构建出原子模型发展史上的第三种重要模型——玻尔模型

如上图,从左到右,依次为“葡萄干布丁模型”、“原子行星模型”、“玻尔模型”以及后来的“电子云模型”。

对后来的芯片领域而言,玻尔模型的关键在于——明确了原子最外层电子的运动特点,提出每种元素的化学性质,很大程度上取决于外层电子的数量,这至关重要。

当时发现的最佳导体材料,最外层轨道只有一个电子,最佳绝缘体材料,最外层轨道具有八个电子,基于这一原子理论,物理学家可以预测哪些材料是良好的导体,哪些材料是良好的绝缘体,即:容易释放外层电子的物质,属于导体,不容易释放外层电子的物质,属于绝缘体,

理论上,任何材料的导电性,都由其最外层电子数决定。当时不能看到原子,基于量子理论的玻尔模型,只是一种猜想,但,已有实验证明了某些材料的电导率,人们可以通过这些数据,检验模型的准确性,结果完全吻合。

一般来说,外层电子数不超过三个的元素,构成导体,而拥有五个或更多外层电子的元素,构成绝缘体,而构成半导体的元素,处于二者之间——SiGe等元素,最外层轨道具有四个电子,这正是半导体材料能够在导体和绝缘体之间切换的关键。

通过名为“掺杂”(doping)的方式,可以改变半导体材料的电学特性,纯硅材料,每个硅原子与4个相邻硅原子共用4个外层电子,外层电子被牢牢锁定,若在硅材料中掺杂少量具有5个外层电子的砷,4个电子与硅原子配对,多出的1个电子,便可自由移动,掺入一定数量砷原子,产生足够多的自由电子,原本不导电的半导体材料,便可以起到导电作用。

反之,若在硅材料中掺杂少量具有3个外层电子的硼,3个电子与硅原子配对,仍缺1个电子,本该拥有电子的那个位置,成为“空穴”,“空穴”的移动,亦可产生电流。

简言之,导体材料,外层电子数不超过三个,绝缘体材料,外层电子数不少于五个,半导体材料,外层电子数四个,可通过掺杂的方式,改变材料的电学特性。

3、集成电路和芯片

理解半导体和晶圆,接下来,说说集成电路(IntegratedCircuit)和芯片(Chip)。我们常常将二者视为等价概念,其实并不准确,先给出结论——芯片,是宽泛的概念,代指半导体器件,而半导体器件,可分为两类:

1、集成电路器件,IntegratedCircuitDevice

2、分立器件,DiscreteDevice

分立器件于1947年发明,集成电路于1958年诞生,二者有何区别?

答:分立器件,一颗芯片上,只有一种电子元件(晶体管、二极管等),功能单一,集成电路,一颗芯片上,集成不同类型的电子元件(晶体管、电阻、电容等),构成一个复杂的电路系统。

SiGeSiC等半导体材料,均可用于制备晶体管、二极管等分立器件,以分立器件的典型——功率MOSFET(场效应晶体管)为例,解释其中逻辑,仍然从材料视角理解该结构:

    从导电性角度,将材料分为三种——绝缘体、半导体和导体,这张图里,自下而上,N+衬底、N-外延层、P阱、N+区均为半导体材料,栅极、源极和漏极为导体材料,包裹栅极的那一圈白色区域,为绝缘体材料,我们说,芯片的本质,就是以绝缘体、半导体和导体为基本部件的搭积木游戏,原因正在于此,初学者不必为眼花缭乱的术语所迷惑,“N+衬底”、“P阱”之类的名词,不过是描述该区域半导体材料某些特征之考虑,基于第一性原理,拿到一个器件结构图,首先应该判断,每一区域的材料属性,具体到半导体材料,借助上述名为“掺杂”的方式,可以制造出不同掺杂浓度的区域,比如N+衬底、N-外延,这里的+-分别代表重掺杂、轻掺杂(掺杂浓度之高低)。

接下来这段,是更加细节、更加专业的知识,如果各位对芯片领域较为熟悉,可以仔细阅读,如果不是专业人士,可以跳过。

功率MOSFET的本质是什么?

顶部并联的元胞+底部串联的漂移区和衬底,功率MOSFET的有源区,并非单一的晶体管,而是由成千上万个完全相同的、微小的晶体管单元紧密排列,再通过并联连接而成。

多数截面图只给出单元胞结构,不容易想象整个有源区的情形,对初学者尤其不利。

上图给出两个相邻元胞紧密排列的情形,可以看到,每个元胞都有独属于自己的沟道、栅介质和欧姆接触区,电流从源极流入,分散流经所有并联的元胞沟道,再汇合流向漏极,并联的元胞越多,器件能承受的总电流(额定电流)就越大,并联的元胞越多,器件整体的沟道电阻越低,

各位可以想象上面这张图,元胞往左右两边无限延伸,大概就是那样的情形。在并联元胞层下方,是一个相对较厚的低掺杂半导体层,称为漂移区。

漂移区的关键作用,是在关断状态下,承担施加在漏极之上的高电压,其厚度和掺杂浓度决定了器件的击穿电压。

而漂移区,正是通过外延方式,生长于衬底之上。然而,上述所有绝缘体、半导体和导体材料构成的整体,称之为MOSFET(晶体管的一种),

如果我们想制备集成电路器件,就必须在同一片晶圆上,制备电阻、电容、电感等元件,如何做到这一点?

早在1958年,人们已知道,通过掺杂,可以用Si材料制造二极管和晶体管,另外几种常用元件,包括碳粉黏结而成的电阻(碳材料),金属陶瓷电容(金属、陶瓷材料),以及铜线绕制的螺旋线圈电感(铜材料)。

想要制备集成电路器件,就必须用Si材料制备电阻、电容、电感。

纯净的Si不适合作为电阻器,因其几乎等于绝缘体,会阻断所有电流,通过改变掺杂杂质的多少or硅材料的形状,可以控制Si的导电性,实现不同阻值。

利用PN结特性,可以用Si材料制造电容,施加反向电压阻断电流,一侧为正电荷,一侧为负电荷,恰好作为电容的正负极板。

至于电感,只需将电阻很小的Si材料加工成螺旋状,便能做出电感线圈。

当年的行业先驱,正是通过这种方式,将不同类型的元件,集成在一块硅片上,集成电路器件,由此发明。

4、芯片和晶圆

最后,说说芯片和晶圆,这也是经常混淆的概念。

这张图,虽然很糊,但恰好用红色标记圈出了我想说明的区域,各位勉强看之,可以看到,红圈之内,是一方形、白色区域,通常所说的“芯片”,即为这样一个个方形区域,器件设计领域称之为管芯。

当然,不同领域有不同称谓,除了“管芯”,“die”、“晶粒”等名词,也是指这一物体。

示意图看得更加清晰,制造流程即将结束时,会沿着划片道(图中红色的横纵线条),将晶圆切分为诸多方形管芯,即为图中的橙色方形区域,

而一颗管芯的大小,即为通常所说的“芯片面积”,面积越大,可以承载的电流密度越大,千百管芯,构成晶圆之主体,而一片晶圆可以生产多少管芯,取决于管芯面积的大小,以及生产良率。

小结

1、以半导体为材料,按照规定大小(4/6/8/12英寸)、厚度(XX微米)及形状(圆形)打磨,产物即为晶圆,

2、从导电性角度,将所有材料分为三种:导体、半导体和绝缘体,

导体材料:外层电子数不超过三个;

绝缘体材料:外层电子数不少于五个;

半导体材料:外层电子数四个,可通过掺杂的方式,改变材料的电学特性。

3、芯片,是宽泛的概念,代指半导体器件,而半导体器件,可分为两类:

1、集成电路器件,IntegratedCircuitDevice

2、分立器件,DiscreteDevice

分立器件,一颗芯片上,只有一种电子元件(晶体管、二极管等),功能单一,集成电路,一颗芯片上,集成不同类型的电子元件(晶体管、电阻、电容等),构成一个复杂的电路系统。

3、通常所说的“芯片”,是一个个方形区域,器件设计领域称之为管芯(又名die、晶粒)。千百管芯,构成晶圆之主体,而一片晶圆可以生产多少管芯,取决于管芯面积的大小,以及生产良率。

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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不仅外行,连很多业内人士也并未理解此间差异,具体来说,半导体是一种材料,晶圆是将半导体材料打磨成规定大小形状厚度的产物,芯片指晶圆上的某一管芯,集成电路是芯片的
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