三分钟搞懂半导体是什么

作者:孙宇晨 来源:www.5idf.cn 2020-11-25   阅读:

2020年的今日,我们每天都享受着科技带来的方便,只要拿起手机你可以即时地在网络社群分享生活,也可以打开影音串流平台,观看一部部由AI演算法推荐的影片,肚子饿了甚至还可以使用行动支付叫起外卖。科技的迅速发展使得生活变得越来越方便,但你知道吗?这一切的基石都来自于一个个由半导体材料制作,不同功能的小小黑盒子「积体电路」(Integrated Circuit, IC)。

老师!到底什么是半导体(Semiconductor)?

台湾一年输出全世界一半以上的晶片,不只在先进制程代工、封装测试两项拿下世界第一,更在今年产值超越韩国成为世界第二,仅次于美国,光是半导体产业就占了台湾GDP的15%以上,因此很难不让人好奇这么神秘的半导体究竟是什么?其实半导体就是一些导电能力介于导体以及绝缘体的材料,如:矽、锗、砷等等,但可千万别误会这种材料很稀有喔!以最常见的元素矽(Si)来说,其实「路上随手抓一大把」,因为它就是在碎石砂砾中最主要的成分。而在制作IC积体电路时,最常使用就是从沙子中提炼出来的纯矽,我们只要再将这种长长的柱状纯矽切片就成为了纯矽晶圆,也就是积体电路的基板。

来加点料吧!P/N型半导体

虽然说纯矽导电性差强人意,但我们可以透过「掺杂」一点点其他的元素改变其导电性,例如掺杂第三族元素,便能使材料产生带正电的电洞(electron holes),原因是两者之间的化学键结没办法使两者满足「八隅体规则」。举例子来说,若拿第三族的硼,与第四族的矽做结合,则会因为两者的最外层电子总和为7(3+4),而「空出」一个电子的位子,就好像多了一个正电荷一样。反之若我们掺杂第五族元素的元素(例如说磷)则会因为最外层电子超出一个(4+5=9)而产生多的电子(electrons)

  • 八隅体规则:当组成分子的原子的最外面电子层有八个电子,它们便会趋向稳定,而若未满八个,原子间则会共享或交换电子来达到稳定


或许读到这里,没有相关背景知识的人或许会觉得很复杂,这里提供一个很简单的比喻或许能方便大家理解,想像今天你在和朋友玩大风吹,总共有九个人(每个人都是电子),而位置只有八个,那么每一轮抢位子时都会有一个人没抢到,就像是多出来的电子一样。而若你们只有七个人玩那每一轮都坐不满,就好像每一轮多出了一个空位(电洞)一样。

总体来说,制造积体电路便是透过在矽基板上掺杂成这两种不一样的半导体,制作出各式各样的半导体元件,控制这些电子以及电洞(两者也称之为载子Carrier)的移动来产生电流,而这些元件之中最重要的便是鼎鼎大名的「电晶体」啦!

不是晶晶体的电晶体(Transistor)

电晶体的功用有两种,分别是当开关以及放大讯号,若用一个生活中每天都会用到的东西比喻,那么电晶体其实就像是水龙头,打开水龙头水就会流下来这个动作,类比于电晶体则是改变电压来控制电流的大小。以金氧半场效电晶体(MOSFET)为例,这种电晶体有三种电极,分别为闸极(Gate)、汲极(Drain)以及源极(Source),分别对应到的是水龙头的头、出水口以及引水口,因此只要用电压控制闸极就可以调整电流,而P型MOSFET就是加大闸极电压水龙头会慢慢关闭,反之N型则是慢慢打开,有没有很简单呀XD

或许读者看到这边会想,这些像水龙头的电晶体跟电脑和IC晶片有什么关系啊?或许你曾听过我们都活在一个「二进位的世界」,也就是在数位电路里,一切事物都会用0和1来表示,像是文字、照片、影片等,因此电晶体水龙头的「关和开」,就刚好对应到数位世界里的「0和1」,透过电晶体,我们便能成功地搭起数位世界与现实世界的桥梁。

因此在积体电路上,一颗颗的电晶体运作时,即可以表示一连串的0/1数列,再经过复杂的翻译后,就变成Youtube影片、Pinterest的美图、甚至是你眼前的这篇文章。然而,光是一张照片的位元数就至少几百万个,因此每颗IC上都有为数惊人的电晶体以及相当复杂的电路设计,例如苹果在2020年9月发表的A14仿生晶片上就有超过114亿个电晶体,堆积在面积仅仅0.085平方公分的晶片上,因此积体电路可说是一门相当精密的工艺呀!

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