三分鐘搞懂半導體是什麼
日期：2020/10/16
文：Y.C.Lo / 校稿: B.H.Huang, C.C.Lee
閱讀程度：簡單
2020年的今日，我們每天都享受著科技帶來的方便，只要拿起手機你可以即時地在網路社群分享生活，也可以打開影音串流平台，觀看一部部由AI演算法推薦的影片，肚子餓了甚至還可以使用行動支付叫起外賣。科技的迅速發展使得生活變得越來越方便，但你知道嗎？這一切的基石都來自於一個個由「半導體材料」製作，不同功能的小小黑盒子「積體電路」（Integrated Circuit, IC）。
老師！到底什麼是半導體(Semiconductor)？
臺灣一年輸出全世界一半以上的晶片，不只在先進製程代工、封裝測試兩項拿下世界第一，更在今年產值超越南韓成為世界第二，僅次於美國，光是半導體產業就佔了台灣GDP的15%以上，因此很難不讓人好奇這麼神秘的「半導體」究竟是什麼？ 其實半導體就是一些導電能力介於導體以及絕緣體的材料，如：矽、鍺、砷等等，但可千萬別誤會這種材料很稀有喔！以最常見的元素矽(Si)來說，其實「路上隨手抓一大把」，因為它就是在碎石砂礫中最主要的成分。而在製作IC積體電路時，最常使用就是從沙子中提煉出來的純矽，我們只要再將這種長長的柱狀純矽切片就成為了純「矽晶圓」，也就是積體電路的基板。
來加點料吧！P/N型半導體
雖然說純矽導電性差強人意，但我們可以透過「摻雜」一點點其他的元素改變其導電性，例如摻雜第三族元素，便能使材料產生帶正電的電洞（electron holes），原因是兩者之間的化學鍵結沒辦法使兩者滿足「八隅體規則」。舉例子來說，若拿第三族的硼，與第四族的矽做結合，則會因為兩者的最外層電子總和為7（3+4），而「空出」一個電子的位子，就好像多了一個正電荷一樣。反之若我們摻雜第五族元素的元素(例如說磷)則會因為最外層電子超出一個（4+5=9）而產生多的電子(electrons)
- 八隅體規則：當組成分子的原子的最外面電子層有八個電子，它們便會趨向穩定，而若未滿八個，原子間則會共享或交換電子來達到穩定
或許讀到這裡，沒有相關背景知識的人或許會覺得很複雜，這裡提供一個很簡單的比喻或許能方便大家理解，想像今天你在和朋友玩大風吹，總共有九個人(每個人都是電子)，而位置只有八個，那麼每一輪搶位子時都會有一個人沒搶到，就像是多出來的電子一樣。而若你們只有七個人玩那每一輪都坐不滿，就好像每一輪多出了一個空位（電洞）一樣。
總體來說，製造積體電路便是透過在矽基板上摻雜成這兩種不一樣的半導體，製作出各式各樣的半導體元件，控制這些電子以及電洞（兩者也稱之為載子Carrier）的移動來產生電流，而這些元件之中最重要的便是鼎鼎大名的「電晶體」啦！
不是晶晶體的電晶體（Transistor）
電晶體的功用有兩種，分別是當開關以及放大訊號，若用一個生活中每天都會用到的東西比喻，那麼電晶體其實就像是水龍頭，打開水龍頭水就會流下來這個動作，類比於電晶體則是改變電壓來控制電流的大小。以金氧半場效電晶體(MOSFET)為例，這種電晶體有三種電極，分別為閘極(Gate)、汲極(Drain)以及源極(Source)，分別對應到的是水龍頭的頭、出水口以及引水口，因此只要用電壓控制閘極就可以調整電流，而P型MOSFET就是加大閘極電壓水龍頭會慢慢關閉，反之N型則是慢慢打開，有沒有很簡單呀XD
或許讀者看到這邊會想，這些像水龍頭的電晶體跟電腦和IC晶片有什麼關係啊？或許你曾聽過我們都活在一個「二進位的世界」，也就是在數位電路裡，一切事物都會用0和1來表示，像是文字、照片、影片等，因此電晶體水龍頭的「關和開」，就剛好對應到數位世界裡的「0和1」，透過電晶體，我們便能成功地搭起數位世界與現實世界的橋樑。
因此在積體電路上，一顆顆的電晶體運作時，即可以表示一連串的0/1數列，再經過複雜的翻譯後，就變成Youtube影片、Pinterest的美圖、甚至是你眼前的這篇文章。然而，光是一張照片的位元數就至少幾百萬個，因此每顆IC上都有為數驚人的電晶體以及相當複雜的電路設計，例如蘋果在2020年9月發表的A14仿生晶片上就有超過114億個電晶體，堆積在面積僅僅0.085平方公分的晶片上，因此積體電路可說是一門相當精密的工藝呀！
這一回我們大致對半導體、電晶體以及積體電路有初步的了解，下一回我們將會再繼續介紹積體電路的製作流程，那麼就這樣啦！我們下回見Bye~
