外观
第 1 章 半导体基础
Semiconductor Basics
半导体（semiconductor）的核心，是驾驭电的力量去做出种种了不起的事情。仔细想想，人类的进步一直以来都体现在我们驾驭和控制各种强大自然力量的能力上。我们驾驭阳光来种庄稼，驾驭重力把水从河流引向城市，驾驭风力扬帆远渡海洋。而在过去一百年里，半导体一直是我们驾驭一种特殊自然力量——电能（electrical energy）——的关键。要弄懂它究竟如何运作，我们得先学一点关于电（electricity）与电导率（conductivity）的基础知识。
别担心，这里没有数学。好吧，也许只有一点点……
电与电导率
「电」这个词被用来描述一大堆不同的东西，但它其实根本不是一个「东西」。更准确地说，电描述的是电荷（charge）与电流（current）之间的关系（BBC, n.d.）。
电荷（electric charge）是物质的一种基本属性，由构成物质基本单元的两种粒子携带——质子（proton）和电子（electron）（Encyclopedia Britannica, 2021）。要理解质子和电子如何相互作用，让我们回到中学物理课，回忆一下原子那种类似太阳系的结构。在我们的模型里，每个原子都有一个原子核，由带正电的质子和不带电的中子（neutron）挤成一团构成。原子核周围，是一群带负电、四处飞舞的电子。原子结构靠两种力之间的平衡维系——电磁力（electromagnetic force）和强力（strong force），我们可以从图 1-1 的电子云模型中看到这一点。虽然许多物理教科书把电子画成沿着整齐的同心圆轨道绕原子核运转，但现实中它们要散乱得多，更应被想象成一团场或一片云（Williams, 2016）。
电磁力使异性电荷相吸、同性电荷相斥。正是这种力让电子停留在原子核附近、并在原子之间移动。强力则负责把中子和质子束缚在一起，尽管质子彼此带有同性电荷。在某些元素里，电子紧贴着原子核；而在另一些元素里，电子则不断地蹦跳到附近其他原子上。电子较为活跃的这类元素，就叫作导体（conductor）。
图 1-1 原子的电子云模型
图中英文标注：Nucleus＝原子核，Proton＝质子，Neutron＝中子，Electron＝电子，Electron Cloud＝电子云。
在铜这样的导体中，电子不断地从一个原子跳到另一个原子。每当某个铜原子里的一个电子跳到相邻的铜原子上，发出电子的原子和接收电子的原子就各自带上了电荷——失去一个电子的发出原子（原子 1）现在带正电，而多得一个电子的接收原子（原子 2）现在带负电。一旦原子 1 带了正电，那种使异性电荷相吸的电磁力，就会把附近原子 3 的一个电子拉过来填补空缺。于是原子 1 重新变回中性，而原子 3 变成带正电，进而又去吸引原子 4 的一个电子。我们可以在图 1-2 中看到这个过程的展开。
这个过程在你所见的一切事物中持续不断地进行着；我们只是察觉不到，因为这些运动是在各个方向上随机发生的，加总起来彼此抵消。正是这种相互抵消的效应，使得日常物体不带负电也不带正电——我们接触到的每样东西，在任意时刻都可能含有数十亿个带正电和带负电的原子，但作为一个整体，每个物体合起来都是中性的、完全不带电。这也是为什么你每次坐下时沙发不会电到你！在中性状态下，电子或许会在原子间随机跳动，但如果这些电子不再随机地四处游荡，而是被给予某种「引导」，又会发生什么呢？
图 1-2 原子之间的电荷与电子移动
当电子沿同一方向流动时，所产生的就是电流（electric current）（Science World, n.d.）。这里的「流动」并不是说电子本身以电流的速度在前进——这是一个常见的误解。真正发生的，是我们前面描述的过程：电子离开自己原来的原子、加入相邻原子，那个原子随即又失去一个电子给第 3 个相邻原子，后者又失去一个电子给第 4 个原子，如此循环往复。这些移动的集体效应，就是电流以接近光速沿导线传输，尽管单个电子每秒其实只前进了几毫米（Mitchell, n.d.）。
为了说明这个过程，我们可以放大来看电流是如何沿导线传输的（见图 1-3）。记住，电磁力使异性电荷相吸。如果我们在导线一端（原子 1 的左侧）施加一个正电荷，原子 1 就会失去一个被正电荷吸走的电子。原子 1 此刻少了一个电子，带上净正电。相邻原子 2 中的一个电子现在被这个正电荷吸引，跳到原子 1 上，使原子 2 带上正电。原子 3 的一个电子又跳到原子 2 上，链条就这样一环接一环地延续下去。正电荷沿导线「传递」，从一个原子传到下一个原子，尽管电子实际上是在朝相反方向移动。这与我们在图 1-2 中看到的、中性物体里随机的电子移动是同一个基本过程，唯一的区别是我们现在给了它一个方向。
图 1-3 电子电流
你可以把这个过程想象成桌上排成一行的台球（见图 1-4）。如果你击打这一行最一端的球，另一端的球就会移动，仿佛是被你直接击中一般。就像动能（kinetic energy，即运动的能量）从队首的 1 号球传递到了队尾的 15 号球一样，铜线前端原子的能量也能通过电流传递到金属线后端的原子（Beaty, 1999）。电流的强度用一种叫作安培（ampere，amp 或 A）的单位来表示，它衡量每秒有多少电子流过某一给定点（Ada, 2013）。
图 1-4 用电磁力来「打台球」
图 1-3 和图 1-4 帮助我们想象导线内部在原子层面发生的事。如果我们把视野拉远一点，看整根导线上发生的情况，就会发现电流和电子的流动方向是相反的（见图 1-5）。如果这让你犯迷糊，一个有用的记忆窍门是：约定俗成的电流方向是从正电荷流向负电荷。我们知道电子（−）被正电荷（＋）吸引，因而从负极流向正极，所以电流必然朝相反方向流动。通过制造一个电荷差，我们就启动了原子间电子移动的连锁反应，让电流得以沿导线流动。两个物体之间的电荷差异称为电势（electric potential），它正是电荷在电路中流动的根源。
图 1-5 电子流向 vs. 电流流向
那么，我们究竟要怎样让电子从一点流向另一点、形成电流呢？答案在于电压（voltage，V），也叫电动势（electromotive force，EMF 或 E）（Nave, 2000）。你可以把电压想象成水管里的水压，只不过它推动的不是流到草坪上的水，而是推动电子从 A 点移动到 B 点（Nussey, 2019）。严格来说，只要任意两个地方之间存在电荷差，就存在电压。
如果你的手机带负电、充电器带正电，它们之间就存在电压。如果你的狗带正电、猫带负电，它们之间也存在电压。如果你的老板带负电、你的车带正电，它们之间同样存在电压。虽然你的老板或你的狗带有净正电或净负电的可能性微乎其微，但真正重要的是那个电荷差。如果我们用铜线之类的导体把手机连到充电器、把狗连到猫、把老板连到车，就会形成一个可供电流流过的电路（circuit）。
电路就是电压源（比如电池）、导线以及其他电气元件之间任何一个闭合回路（Rice University, 2013）。别被这些花哨的术语吓到——如果你在冬天蹭着地毯走过去碰一下朋友，你就在形成一个电路。电流（以电荷的形式）从你身上流过朋友、再流入大地。哎哟！
电压的另一个名字是电势差（potential difference），它描述把一个正电荷从一点搬到另一点所需做的功（Electrical Potential, 2020）。一个物体的电势，由它在某一时刻的带电状态决定。带正电的物体被认为比带负电的物体电势更高。如果我们用导体把高电势物体连到低电势物体，电子会从低电势一端流向高电势一端，而电流则从高电势流向低电势。两个物体之间的电荷差越大，电压就越大。我们可以在图 1-6 中看到电势差的图示。
回想一下电流是如何沿导线流动的——正电荷沿着导线从一端移向另一端，与此同时电子在相邻原子间朝相反方向被传递。要启动这条连锁反应、让正电荷沿导线传递，我们需要电路两个部位之间有一个初始的电荷差。否则，我们图示中原子 1 的电子凭什么要向左移动、让电流持续朝同一方向流动呢？没有电压，电流就无法流动——正是这个电势差，让电得以照亮我们的家、加热我们的水，并完成我们维持生活所需的各种工作。
图 1-6 无电势差 vs. 有电势差
图中英文标注：No Current Flow＝无电流，Potential Difference Applied＝施加电势差，Electron Flow＝电子流动，Current Flow＝电流流动，High / Low Potential＝高 / 低电势，Object 1 / 2＝物体 1 / 2。
设想任意两个带有电荷差的物体——无论是给灯泡供电的电池两端，还是本杰明·富兰克林著名风筝实验中钥匙与雷云之间——它们之间都存在电势差。我们可以用某种导电材料把它们连起来，或让两个物体本身直接接触，从而激活这个电势差，形成一个电路。对一个电路而言，这可能意味着把电池的一端与另一端连通，使电流从电路的一端流向另一端，把灯点亮。对富兰克林来说，这可能是云与他绳子末端钥匙之间的连接。两种情形中，正电荷都从电势较高的物体（电池正极或雷云）流向电势较低的物体（电池负极或钥匙）。
富兰克林当时想证明，闪电是一种电的放电，可以被安全地导入地下、远离易燃的建筑。我们可以在图 1-7 中看到一幅描绘他这一大胆壮举的著名画作，它由美国最高产的版画公司之一 Currier & Ives 于 1876 年出版。这个实验催生了避雷针的发明，避雷针至今仍在保护着建筑和人们（Currier & Ives, 2009）。
图 1-7 本杰明·富兰克林 1752 年的电学实验（Currier & Ives, 2009）
电池（battery）不依赖自然环境中现成的电势差，而是通过抬高电路一端（＋）相对于另一端（−）的电荷、从而抬高其电势来工作。电流不会停止流动，直到电路负极一侧所有多余的负电荷都流到正极一侧、电池耗尽为止。我们可以在图 1-8 中看到这一图示。
如果你曾好奇为什么家用电池有正极（＋）和负极（−），那是因为它们标出了形成电势差、为你所用电器供电所必需的两端。构成电池的材料使它能够产生这种电势——由「缺少」电子的材料构成的阴极（cathode）形成电池的正极（＋，电流离开、或电子进入之处），由「过剩」电子的材料构成的阳极（anode）形成电池的负极（−，电流进入、或电子离开之处）（US Department of Energy, n.d.）。两端之间的电势差以化学能（chemical energy）的形式储存，并在电池被使用时转化为电能。
图 1-8 电池供电的灯泡电路
电流和电压告诉我们电在原理上如何运作，但要理解电究竟能做什么，我们还得谈谈功率（power）。功率描述的是电路把电流转化为某种有用能量时所做的功。这种有用能量可以是各种各样的东西——运动、光、热、声音、卫星信号等等。当你的音箱播放你最喜欢的歌、或床头灯帮你睡前读书时，它们就是在把电功率转化为有用的能量。功率以瓦特（watt，W）为单位。一瓦特，衡量的是一个电路中由一伏特「推动」一安培电流时所做的功（Electronics Tutorials, 2021）。
记住，安培衡量的是单位时间内流过某一给定点的电子数量（电流），而伏特衡量的是因电势差而在两点之间积蓄的电压力大小（电压）。你可以在图 1-9 中看到这三种量、连同电阻（electrical resistance）的小结。
图 1-9 电的各种单位
图中英文标注：Unit＝单位，Definition＝定义；Ampere（A）＝安培（电流），Volt（V）＝伏特（电压），Watt（W）＝瓦特（功率），Ohm（Ω）＝欧姆（电阻）。
功率（P）、电压（E）与电流（I）三者之间的关系，体现在焦耳定律（Joule's Law）中。这条定律以英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳命名，他于 1840 年发现了它（Shamieh, n.d.）。你不需要背下这个方程，只要明白三者如何相关、以及电压和电流如何协同产生出我们能利用的东西（功率）就好。如果你确实打算使用这个方程，重要的是为功率（瓦特）、电压（伏特）和电流（安培）使用正确的单位。
焦耳定律：功率（P）= 电压（E）× 电流（I）
我们可以把功率、电压和电流想象成水从热水器流到淋浴喷头的过程。在这个比喻里，电荷就像水本身——它是在系统中流动、去完成工作的东西。我们可以把电压当作水压，把电流当作水（或电荷）在系统中的流动。如果我们把水压（电压）乘以水流（电流），就得到了从另一端输出的功率——功率越大，淋浴体验越好。我们可以在图 1-10 中看到这个比喻的可视化呈现。
图 1-10 焦耳定律与一场舒服的淋浴
图中英文标注：Voltage＝电压（水压），Current＝电流（水流），Power＝功率（出水），Charge＝电荷（水）。
电，描述的正是焦耳定律所体现的那种关系。它是这样一种现象：施加电压来驱动电流，而当电子被推动着沿同一方向流动时，电流便产生了。这种事在为你家供电的本地电力公司那里大规模地发生着。但说实话，那对日常消费者来说并不是真正有趣的部分。真正的挑战在于，弄清楚如何驾驭这股电流去做一些有用的事。为此，我们需要一种方法来控制已经产生的电流。所有这些流动的电子（电流）都必须被引导着穿过某种材料，才能作为「电」被我们所用。我们需要具有电导率的材料。
电导率衡量的是电流通过一种材料的难易程度。用电做有用功的关键，在于控制电导率——在一些情况下让电流通过，在另一些情况下又限制它。你房间里那盏顶灯，如果只能一直亮着或一直关着，可就没那么有用了。把电流开开关关，至关重要。
不同材料有不同的电导率，大致可分为三大类——导体、绝缘体（insulator）和半导体。下面是几条简明的定义：
- 导体是电导率高的材料（想想铜、铝这类金属材料，它们是电子产品中最常用的导体）。导体的电阻低，能让电流轻易流过。电阻以一种叫作欧姆（Ω）的单位来衡量。
- 绝缘体是电导率低的材料（想想塑料或其他用来包裹电线的聚合物）。绝缘体电阻高，能阻止或减缓电流的流动。
- 半导体，顾名思义，是介于导体和绝缘体之间的材料——它们既可以是导体，也可以是绝缘体。电子学革命的关键，正是在于能够精确控制半导体何时导电、何时绝缘。电线通常由铜这样的导体制成，外面包裹一层橡胶之类的绝缘体（见图 1-11）。绝缘体通过吸收导体释放出的多余电能，保护导线和周围环境。半导体兼具导体和绝缘体的特性，能更好地控制电流的流动，让工程师得以打造更小、更精巧的系统。
图 1-11 电线。左：橡胶绝缘、橡胶护套的红黄蓝三芯圆形电缆（Jainsoncables, 2007）。右：英国及其他国家常用的「Twin and Earth」电缆（Allistair1978, 2020）
通过驾驭这几类材料各自的特性，工程师可以构建出精巧复杂的系统，用来存储和发送信息、解决复杂问题，并完成种种使现代科技成为可能的任务。
既然半导体是这项技术的关键，那就让我们再多了解一点：半导体究竟是什么，又是如何制造出来的。
硅——关键的半导体
半导体材料种类繁多，每种的电导率各不相同。虽然锗（germanium）和砷化镓（gallium arsenide，GaAs）等其他半导体也用于电子器件，但绝大多数电子产品都用一种叫作硅（silicon，给周期表爱好者们：它是 Si14）的元素制成。硅有许多优点，使它成为制造计算机芯片的理想材料——除了有用的机械和热学特性外，它还便宜又丰富。硅约占地壳的 30%，是地壳中仅次于氧的第二丰富元素，可以在沙子、岩石、黏土和泥土中找到（Templeton, 2015）。我们可以在图 1-12 中看到一块提纯硅的照片。
图 1-12 一块提纯的硅（Enricoros, 2007）
半导体简史
在深入半导体设计与制造技术的细节之前，了解一点它的历史和关键发明者会很有帮助。科学家一旦发现了硅的半导体特性，就能制造出简单的晶体管（transistor）——晶体管基本上就是一种开关，能阻止电流前进或允许它通过。通过把晶体管排列成精巧的图案，他们意识到自己可以有选择地引导电流沿着选定的路径流动，并让它一路上做些有用的工作。在 1947 年第一只晶体管被发明之后约莫十年里，半导体的设计和制造既缓慢、又笨重、还昂贵。
一个个晶体管和其他元件必须各自独立地制造出来，再用「飞线」（flywire）连接手工拼装到一起——飞线基本上就是一根根把晶体管一个一个连起来的金属线。一个完整的晶体管电路，真的可以塞满整整一个房间。这显然成不了任何足以改变世界的技术革命的基础。
这一切在 1959 年发生了改变，那一年可以被正式视为半导体革命的开端（虽然我们大概没法为此争取到一个全国性的节日和一天假期，但仍然值得纪念）。这要归功于两件大事。第一，德州仪器（Texas Instruments）的 Jack Kilby 和仙童半导体（Fairchild Semiconductor）的 Robert Noyce 发明了集成电路（integrated circuit，IC），让硬件设计师得以把一大堆晶体管集成在单块芯片上（Nobel Media, 2000）（Kilby, 1964）。第二，仙童半导体的 Jean Hoerni 发明了平面制造工艺（planar manufacturing），让芯片公司能够在同一块衬底（substrate，半导体基底材料，有点像房子的地基，只不过是给计算机芯片用的）上、同时制造出大量元件（Nobel Media, 2000）（Hoerni, 1962）。Kilby 因其工作于 2000 年获得诺贝尔物理学奖。Hoerni（已于 1924—1997 年间在世后离世）虽未曾获得诺贝尔奖，但其贡献得到了广泛认可。这些核心创新——集成电路（IC）与平面制造工艺——的重要性怎么强调都不为过。它们构成了至今半导体和计算机赖以建立的、以设计和制造为基础的价值链的根基。我们将在第 3 章和第 4 章中分别详细介绍。
半导体价值链——我们的路线图
在试图讲清半导体这样一个复杂技术话题时，究竟该怎么讲这个故事，本身就是个不小的挑战。我们该从「很久很久以前……」开始，按时间顺序一路讲到今天吗？还是该从原子、电子这样最小的元素讲起，一步步往上讲到计算机、汽车这样的庞大系统？
在《理解半导体》这本书里，我们决定就按一家半导体公司的运作方式来讲这个故事——从决定要做什么产品，到设计和制造它们，再到封装并把它们集成进系统。
我们把这一连串环节称为半导体价值链（semiconductor value chain），它将作为我们整段旅程的路线图。我们会偶尔绕些弯路，讨论一些基础知识和几个特殊话题，但在大多数情况下，本书后面的一切都能追溯回这条核心链路的某一环，并可以作为一个心智框架，帮你建立起对整个行业的理解。
从一个产品概念出发，半导体行业的价值链可以拆解为六个主要环节：
客户需求与市场需求：首先，必须确立对某个「系统」或产品的需求。一个新系统可以是任何东西，从火箭飞船的控制面板到下一代 iPhone。这里重要的是要有市场需求——没有客户，何必一开始就去造一个新系统呢？但要记住，客户未必总能告诉你他们需要什么。回想一下亨利·福特那句经典名言：「如果我去问人们想要什么，他们会说想要一匹更快的马。」
芯片设计：其次，公司必须考量一款产品，并据此设计一块与之匹配的芯片。这个设计过程分为前端设计（front-end design）和后端设计（back-end design）。为把这一点讲清楚，下面是每一步具体发生的事：
前端设计：收集系统需求，开发出详细的电路原理图，以创建一个设计构想。这个设计构想会先经过测试和验证，然后才进入后端设计。
后端设计：一份称为网表（netlist）的详细指令清单被转换成物理版图，随后经过测试和验证，再被送往一家叫作半导体制造厂、或简称晶圆厂（fab）的工厂去制造。
晶圆制造：第三，设计必须在晶圆厂里被制造出来。在这一步中，大量集成电路（也称裸片或 die、IC）通过一种叫作光刻（photolithography）的工艺，被印制到一片叫作晶圆（wafer）的硅片上。4. 封装与组装：第四，一旦裸片被彼此切割分开，它们就被逐个封入塑料或陶瓷封装中，这个过程叫作组装（assembly），其外壳称为芯片封装（IC packaging）。这些封装好的裸片组件会在被送往终端系统或产品公司之前，再做最后一次测试。
系统集成：一旦系统或产品公司收到了最终的裸片-封装组件，就可以把它焊接到一块更大的电路板（circuit board）或衬底上，与其他元件或集成电路一起，集成进最终的、可供消费者使用的产品中。
产品交付：产品被运送给客户，随时可以使用。
对于所有喜欢看图来学习的读者，图 1-13 用一个分步骤的概念框架，展示了从设计到交付的整条半导体价值链。
图 1-13 半导体价值链
图中英文标注：Step 1 Customer Need & Market Demand＝客户与市场需求，Step 2 Chip Design＝芯片设计，Step 3 Fabrication & Manufacturing＝晶圆制造，Step 4 IC Packaging & Assembly＝芯片封装与组装，Step 5 System Integration＝系统集成，Step 6 Product Delivery＝产品交付。
在大多数情况下，半导体公司专注于第 2 到第 5 步。事实上，有些公司（称为「无晶圆厂（fabless）」公司）实际上只做第 2 步。它们设计芯片，然后把其余大部分步骤外包出去。公司一开始会预测市场需求、或向下游设备公司收集订单，然后集中精力去打造能满足客户需求的芯片。自这个行业在 1940 年代诞生以来，这条价值链在概念上一直相对稳定。但与此同时，每一步具体如何完成的组织方式和商业策略，却一直极其多变，由那些为提供性能最佳的芯片和最高质量产品而相互竞争的创新公司所驱动。我们将用这条价值链来引导我们对各个关键子流程的讨论，并把对每一步的理解锚定到更宏观的全局之中。
性能、功耗、面积与成本（PPAC）
对于专注于价值链中设计、制造、组装和集成环节（第 2、3、4、5 步）的半导体公司来说，目标是以尽可能低的功耗（lowest power）和尽可能小的面积（smallest area），实现尽可能高的性能（highest performance）。这三项关键设计指标，通常分别用时钟频率（clock frequency，Hz）、瓦特和纳米（nanometer，nm）来衡量。每一种半导体设计，都可能为了其中一项而牺牲另外几项，具体取决于应用场景。例如，为数据中心（data center）里的服务器设计芯片的团队，有充裕的空间和工业级的电源，可能会专注于性能，而不太在意尺寸或功耗。但为电池供电的手机设计芯片的团队，可能更关心功耗和尺寸，而非性能。对任何给定的应用，目标都是以尽可能低的成本（lowest cost）、在尽可能短的时间内，沿这三个约束去优化芯片设计。我们可以在图 1-14 中更好地看清这些因素之间的关系。
每块芯片都必须在 PPAC 各项约束之间取得平衡，以给出最优解。设计团队必须牢记他们要解决的问题，以及所打造的电路要应对的应用场景。例如，台式电脑这类插电设备，可能不必像电池供电的笔记本那样去优化功耗。笔记本反过来，在面积上的灵活度又可能高于手机这类更小的手持设备。同样重要的是别忘了把时间当作一项关键约束——如果你能缩短设计周期、抢在竞争对手之前进入市场，那么牺牲一点性能也许是值得的。电路的应用几乎是无穷无尽的，每一种都有独特的性能、功耗、面积、成本和时间约束——关键是要理解其中的取舍。
在半导体产品开发的反复拉锯中，市场和商业团队总想要三项指标全都最好：最高性能、最低功耗、最小面积。而在做取舍时，工程团队常常这样回应：「你挑两个，剩下那个由我们来定。」这话从工程团队口中说出来虽然有点损，但它确实点出了所必需的取舍。例如，如果你非要最高性能加最小面积，那么物理定律就会限制你在功耗上的效率。
图 1-14 功耗 vs. 性能 vs. 面积 vs. 成本（PPAC）
图中英文标注：Performance＝性能（Highest Clock Frequency 最高时钟频率、Speed 速度），Power＝功耗（Longer Battery Life 更长续航、Heat Constraints 散热限制），Area＝面积（Less Area = Less Power 面积越小功耗越低），Cost＝成本（Design Costs 设计成本、Manufacturability 可制造性、Yield Risk 良率风险）。
谁在使用半导体？
在进入芯片如何设计与制造的更多技术细节之前，重要的是别忘了我们当初为什么要造它们。半导体行业协会（Semiconductor Industry Association，SIA）是半导体行业的关键行业组织之一，他们为终端应用划分了六个不同的类别（见表 1-1）。
| 市场 | 具体应用 |
|---|---|
| 消费电子 | 电视、视频、音频、家用电器，以及相机、游戏机、智能手表、健身监测器、闹钟等其他消费品。 |
| 汽车 | 车载娱乐与信息系统、动力总成、控制系统、信息娱乐等。 |
| 计算 | 个人电脑、办公设备及外设、手持计算设备、服务器等。 |
| 工业 | 电源、商用物联网（IoT）设备、制造测试、控制与测量设备等。 |
| 通信 | 手机与无线手持设备、网络与远程接入设备、基站、广播设备等。 |
| 政府 | 军事与航空航天电子。 |
表 1-1 SIA 框架——终端应用
在这些类别中，世界半导体贸易统计组织（World Semiconductor Trade Statistics，WSTS）与半导体行业协会（SIA, 2021）最新的 2021 年报告指出，「通信」和「计算机与办公」占据了半导体销售额中最大的份额，合计接近行业营收的三分之二。但随着汽车日益电动化、工业运营越来越自动化，分析师预计未来「汽车」与「工业及仪器」类别将会增长。我们可以在图 1-15 中看到半导体各终端应用的占比分布。
图 1-15 2020 年按终端应用划分的半导体市场（SIA 与 WSTS）
图中为饼图，各扇区按占比标注：Computing 计算 32%、Communications 通信 31%、Automotive 汽车 12%、Industrial 工业 12%、Consumer 消费电子 11%、Government 政府 1%（数值取自原图）。
这些应用各有不同的用途，因而有着不同的 PPAC 要求和驱动因素，并影响着设计、制造和组装的每一个环节。
小结
在本章中，我们考察了电与电导率如何协同运作，使半导体技术成为可能。我们弄清了半导体是什么、它们能做什么，以及为什么硅是最有用的那一种。我们引入了半导体价值链，它把创意和原材料转化为芯片和成品。最后，我们回顾了塑造芯片如何为其既定用途而优化的关键 PPAC 参数，以及那些现实世界的应用究竟是什么。
理想的芯片是高性能、低功耗、占用空间小。三者全都做到当然最好，但成本和时间逼着我们做出艰难的抉择。价值链的每一步，对于把一块芯片从概念送到客户手中都不可或缺——在每一个环节，各公司都在通过比对手更有效地平衡这些因素，来争夺利润和市场份额。
你的个人 SAT（半导体自测，Semiconductor Awareness Test）
为确保你的知识能层层累积，随着我们逐一推进各个主题，这里有五道与上一章相关的问题。这是「开卷」的，所以尽管回头去重读任何对你有帮助的内容。
定义电与电导率。它们与电流和电荷有何关系？
最重要的半导体是什么，为什么？
哪两项发明造就了现代半导体行业？为什么这些创新如此重要？
在晶圆制造之后、系统集成之前，半导体价值链中有哪一步是必需的？你能说出全部六步吗？
PPAC 代表什么？你能说出缺少的是哪一个关键设计要素吗？