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半導體元件

半導體元件（英語：semiconductor device）是利用半導體材料的特殊電特性來完成特定功能的電子電路組件。半導體的導電性介於良導電體與絕緣體之間，這些半導體材料通常是矽、鍺或砷化鎵，並經過各式特定的滲雜，產生P型或N型半導體，作成整流器、振盪器、發光器、放大器、測光器等元件或裝置。[註 1] 常見的半導體元件有二極體、電晶體等。

麻省理工學院官網首頁2012年4月24日宣佈: 唐爽和崔瑟豪斯夫人 提出「唐-崔瑟豪斯理論」 構建狄拉克型半導體，其電子和電洞可以具有各種相對論相應，或可引領新型半導體晶片和能源轉換元件的研發。

普通半導體如矽、砷化鎵、碳化矽等材料構成的傳統元件中，電子和電洞通常可以用非相對論性的拋物線型色散關係來描述其能量-動能關係（英語：Energy–momentum relation）[2][3]，而在最近研發的新型半導體中，包括由麻省理工學院的唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的准狄拉克材料、半狄拉克材料等（唐-崔瑟豪斯理論）[4][5][6], 電子和電洞可以具有不同的相對論效應。這些相對論性的新型半導體材料或可引領下一代電腦晶片、能源裝置的研發。

電晶體

雙極性電晶體

由射極、基極、集極三個電極組成，由通過基極的電流大小可以控制通過射極和集極的電流大小，雙極性電晶體能夠放大訊號，並且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力。

 
電腦仿真展現的納米線MOSFET中反型通道的形成（電子密度的變化）。隨着電壓增加，導電通道形成，電流增加，場效電晶體開通

場效應電晶體

由源極、閘極、汲極三電極組成，由施加在閘極上的電壓可以控制導電通道的開通關閉，可用於訊號放大，且由於漏電流比雙極性電晶體小，是現代數碼集成電路的基礎。

可靠性

半導體元件對雜質和灰塵很敏感。所以在繁複的生產製程中，精確控制雜質和灰塵的等級是非常必要的。最終產品的質素很大程度上依靠生產中的各個相對獨立而又相互影響的生產階段，例如金屬化（metallization）、晶片材料（chip material）、封裝等。

由於技術飛速進步，新材料和新製程不斷被用於新研發的元件中，設計時間表根據非迴圈工程常數（non-recurring engineering）限定，再加上市場對設計時間不斷提出苛刻要求，所以可靠性設計基本不可能按照已有的產品進行。

為達到一定的經濟指標，半導體產品總一大批次生產的；並且修理半導體產成品也是不實際的。所以半導體產品在設計階段加入可靠性的概念和在生產階段減少變數就成為十分必要的要求。半導體元件可靠性取決於裝配，使用，環境狀況。影響因素包括氣體、灰塵、沾污、電壓、電流密度、溫度、濕度、應力，往復振動，劇烈震盪、壓強和電磁場的強度。

設計方面影響半導體元件可靠性的因素包括：電壓衰退、功率衰退、電流衰退、穩定性、邏輯時間變差（logic simulation）、時效分析（timing analysis）、溫度衰退和製程控制。

提高方法

半導體元件可靠性依靠以下方法保證其處於高水準：

  1. 在無塵室內生產，以控制雜質。
  2. 嚴格的製程控制，減少變數。
  3. 老化（短時間，極端條件下運轉）並測試以減少不合格品漏過。
  4. 半導體晶片測試，指在封裝前，用連接測試裝置的探針，在顯微裝置下接觸晶片並進行測試，去除不合格品。
  5. 用整套參數測試封裝後的半導體元件，確保產品能正常運作。

參考文獻

  • Giulio Di Giacomo (Dec 1, 1996), Reliability of Electronic Packages and Semiconductor Devices, McGraw-Hill
  • A. Christou and B.A. Unger (Dec 31, 1989), Semiconductor Device Reliability, NATO Science Series E
  • Michael Pecht, Riko Radojcic, and Gopal Rao (Dec 29, 1998), Guidebook for Managing Silicon Chip Reliability (Electronic Packaging Series), CRC Press LLC
  • MIL-HDBK-217F Reliability Prediction of Electronic Equipment
  • MIL-HDBK-251 Reliability/Design Thermal Applications
  • MIL-HDBK-H 108 Sampling Procedures and Tables for Life and Reliability Testing (Based on Exponential Distribution)
  • MIL-HDBK-338 Electronic Reliability Design Handbook
  • MIL-HDBK-344 Environmental Stress Screening of Electronic Equipment
  • MIL-STD-690C Failure Rate Sampling Plans and Procedures
  • MIL-STD-721C Definition of Terms for Reliability and Maintainability
  • MIL-STD-756B Reliability Modeling and Prediction
  • MIL-HDBK-781 Reliability Test Methods, Plans and Environments for Engineering Development, Qualification and Production
  • MIL-STD-1543B Reliability Program Requirements for Space and Missile Systems
  • MIL-STD-1629A Procedures for Performing a Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis
  • MIL-STD-1686B Electrostatic Discharge Control Program for Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive Devices)
  • MIL-STD-2074 Failure Classification for Reliability Testing
  • MIL-STD-2164 Environment Stress Screening Process for Electronic Equipment

註釋

  1. ^ 原文版「semiconductor device」，中文版「半導體裝置」、「半導體元件」在施敏教授著作中均有出現，依上、下文意不同而出現[1]；又稱為「半導體元件」。

參考文獻

參照

  1. ^ 施敏《半導體元件物理學》（Physics of Semiconductor Devices）
  2. ^ Charles Kittel. op. cit. 1996: 202. ISBN 978-0-471-11181-8. 
  3. ^ Green, M. A. Intrinsic concentration, effective densities of states, and effective mass in silicon. Journal of Applied Physics. 1990, 67 (6): 2944–2954. Bibcode:1990JAP....67.2944G. doi:10.1063/1.345414. 
  4. ^ New material shares many of graphene’s unusual properties. Thin films of bismuth-antimony have potential for new semiconductor chips, thermoelectric devices （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. MIT News Office (24 April 2012).
  5. ^ Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Constructing Anisotropic Single-Dirac-Cones in BiSb Thin Films. Nano Letters. 2012, 12 (4): 2021–2026. doi:10.1021/nl300064d. 
  6. ^ Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Constructing A Large Variety of Dirac-Cone Materials in the BiSb Thin Film System. Nanoscale. 2012, 4 (24): 7786–7790. doi:10.1039/C2NR32436A. 

來源

書籍
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