什么是半导体？

什么叫半导体？
   物质若以导电性来区分，大致上可归类为导体或绝缘体两种，一般所称的导体即金属，其导电性会随着温度升高而减弱，也就是说电阻会随着温度升高而增大，在1833年，电子学之父法拉第发现了硫化银的电阻与金属不同，随着温度的上升，它的电阻反而降低，即导电性增强，这是人类首次发现异于导体特性的物质，或者是说「非导体」或「非绝缘体」，这一类物质就是所谓的半导体，其导电性比导体小很多，但却又比绝缘体好。随着科学的逐步发展，半导体也渐渐展露头角，进而引领二十世纪的科技。
   
   
   最常见的半导体材料，就是地表含量最多的硅(Si)，硅原子本身具有四个价电子，分别位在sp3的四个轨域中，由于每个轨域需拥有2个电子，以形成八隅体的稳定状态，正好在纯硅中，每个硅原子都与四个硅原子相邻，并且与这四个外围硅原子共享轨域，形成硅原子间的共价结构，如上图(a)所示，此种共价结果相当稳定，不存在自由电子，也因此纯硅的导电性极差。
   但是，如果我们在纯硅中掺入少许的砷(As)或磷(P)，每个砷或磷原子会取代某个硅原子，仍与四个硅原子相邻，需要四个电子以形成四个共价键，由于砷或磷原子的最外层有五个电子，却只与硅共享四个电子，因而多出了一个可自由活动的电子，也就是自由电子，这种架构就是所谓的n型半导体，如上图(b)所示。如果我们在纯硅中掺入少许的硼(B)，就反而少了一个电子，而形成一个电洞，这样就形成p型半导体，如上图(c)所示。此时若在硅晶两端加电压，就能使电子产生自由移动而显着地增加其导电性。
   半导体的重要性，已使得电子、光学和能量工业等都产生重大改进.
   IC芯片
   IC芯片就是所谓的集成电路芯片，它是目前最为大家所熟悉的科技名词，人类的生活质量也因为IC芯片的开发，受到巨幅的改善，平日触目所见的手机、计算机、数字相机、汽车、…等等，都必须利用到IC芯片，底下就来谈谈IC芯片的发展及影响。
   谈到IC芯片，就必须介绍二十世纪最重要的发明─晶体管(transister)，这是1947年12月23日，由美国贝尔实验室之萧克利(Shockley)、巴丁(Bardeen)、布拉顿(Brattain)等三位科学家所开发出来的，是具有放大电流效果的固态三极体电子组件，属于点接触式晶体管，这项成果于1948年六月才正式发表，三人后来在1956年也因晶体管的发明获颁诺贝尔物理奖。
   事实上，在研发晶体管的时代，有一项科技正蓬勃地展开，那就是建构自动计算的电子计算器，当时的电子计算器是采用0与1的代数运算，为了表达0与1的符号，乃采用快速的开关组件─真空管。
   
   
   真空管是具有三个电极的组件(如图所示)，在负极加热以产生电子，若在栅极施加电压，则电子受到阻力无法到达正极，此时真空管是处在’关’的状态，反之，若除去栅极上的电压，则阻力消失，管内产生电子流冲向正极，此时真空管是处在’开’的状态。在1940年代初期，电子计算器开始出现，利用真空管的’开’与’关’当作’0’与’1’，或者是’1’与’0’，来进行数值计算，其中英国的「Colossus」咸信是世界上第一台电子计算器，共享了2500个真空管，其目的是为了破解德国纳粹的通讯密码；当时在美国也为了军事用途，制造了具有计算积分能力的「ENIAC」，，所使用的真空管约两万个，除了体积庞大及价格昂贵外，所消耗的功率更是吓人，不过「ENIAC」的主要缺点还不是这些，而是真空管的寿命，通常一个真空管约可使用三千小时，将近四个月，乍听之下，似乎还算正常，但是以机率来看，四个月必须汰换两万个真空管，平均起来，约10分钟就会烧坏一个，也就是说可能十几分钟就要从两万个酷似的真空管中，去寻找出那一个是烧毁的，光想到这件事就令人感到沮丧，幸好不到几年的光景晶体管就诞生了。由于晶体管的体积小，消耗功率低，且量产容易，成本低廉，更重要的是它的寿命几乎是无限的，所以一出现后，就取代真空管，成为最重要的开关组件。
   事实上，晶体管也可以当作讯号或功率放大器来使用，但是底下只着重在开关功能的应用。关于第一个晶体管的构想，事实上是萧克利提出的，但理论的问题却是由巴丁加以解决才获得成功，为了争一口气，不服输的萧克利于是闭关苦思，尝试解决原点接触式晶体管的缺点─质量难以掌控，经过一个月的努力，终于在1948年开发出质量相当稳定的接面式晶体管（BJT），由于生产技术不难，旋即成为瞩目的焦点及当时半导体组件的主流。后来萧克利离开贝尔实验室，在加州湾区开创第一家半导体公司，引起了风起云涌的硅谷盛事。
   
   接面式晶体管有n-p-n及p-n-p两型，以n-p-n型来做说明，如上图所示，共分三层，中间层为p型半导体，载子为电洞，另外两层都是n型半导体，载子为电子，这三层并不是用三块不同的半导体黏合而成，而是在同一块的Si材料中，掺入少许的三价原子，在中间基极形成p型半导体，而在两边掺入少许的五价原子，形成n型半导体，分别当作射极与集极。
   使用时将集极与射极分别接上电源1的正负极，先假设电源2为断路，则在电源1正负极的作用下，电子由负极出发，穿越晶体管，再回到正极，形成电子流，应注意的是并非所有的电子都能顺利回到正极，在穿过基极时，会有少数的电子被其中的电洞捕捉住，而停滞不前，成为射极中电子的前进障碍，一旦基极累积了过多的电子，造成后来的电子无法再前进时，电子流便会消失，使得晶体管即呈现出关闭的状态；若想要再度形成射集与集极间的电子流，必须随时清除基极中所累积的电子，解决的方式是在基极与射极间接上电源2，其电压值不大，在基极与射极间形成较小的正负极作用，以产生小的电子流，将累积在基极上的少数电子不断清除，让电子顺利通过基极，形成导通的状态。显然地，经由基极上电压的控制，晶体管可具有开关的功能，成为比真空管更经济与实用的开关组件。
   晶体管除了接面式晶体管外，还有场效型晶体管（FET），场效型的观念早在1930年便申请到专利，但是在开发上并不顺利，一直到1960年，才由柯恩(D．Kahng)及阿塔拉(M．Atala)设计出来，由于他们所利用的是金属-氧化物-半导体(简称金氧半)的闸极结构，所以称为金氧半场效晶体管(MOSFET, metal-oxide- semiconductor field-effect transistor)。由于金氧半场效晶体管的体积大幅缩小，加上具备低耗电量、高稳定性、容易量产等优势，因此在微电子的应用领域中，后来居上，在产量及用途上都一枝独秀，远远超过其它的电子组件。
   
   金氧半场效晶体管的结构如上图所示，为n-p-n型半导体，分为源极、闸极与漏极，与接面式晶体管相似，所不同者在于闸极的厚度宽大，且上面覆盖一层氧化物SiO2，当作绝缘体，使用时将漏极与源极分别接上电源1的正负极，先假设电源2为断路，则在电源1正负极的作用下，电子由负极出发，沿着上层穿越晶体管，再回到正极，形成电子流，同样地，在穿过闸极时，电子会被其中的电洞捕捉住，成为电子前进的障碍，最后导致电子流消失，晶体管呈现关闭的状态；为了避免电洞的捕捉效应，在源极与闸极间接上电源2，此时闸极上的正极将p型半导体的电洞推向底部，让闸极上层形成电子的无障碍信道，又由于氧化物的隔绝，电子不会自闸极流失，全部顺利进入漏极，形成导通的状态。显然地，经由闸极上电压的控制，晶体管是具有开关功能的组件。
   两种晶体管在不同的应用上各有优缺点，当要求高操作速率时，通常考虑使用接面式晶体管，而当要求高密度的集成电路制造时，金氧半晶体管才是较佳的选择，因为它是采平面的配置方式，所以制作容易，成本较低，加上可以紧密排列，使体积大幅缩小，目前制作IC芯片时，都是以金氧半晶体管为主要技术。
   事实上，在IC芯片的优势中，最吸引人的就是体积不断缩小，摩尔(Gordon Moore)在1964年曾预言芯片上的晶体管数目每年都会加倍，这就是有名的「摩尔定律」，当然这个预言只是在初期时有效，不可能一直持续，所以人们也开始注意必须要经过多少年，摩尔定律才会逐渐失效？由下图中的统计图，可以看出在1980年代的中期之前，由晶体管个数小于50个的小型集成电路(SSI)，到中型集成电路(MSI)，再进展至大规模集成电路(LSI)，摩尔定律仍算吻合；但是自1980年代后期至今，由大规模集成电路(LSI)，已经进展至晶体管个数超过10万个的超大规模集成电路(VLSI)，目前甚至再朝晶体管个数将近数百万个的极大规模集成电路(ULSI)发展，可是在三十年内只有大约成长了100倍，每年倍增的趋势早已和缓，换句话说，摩尔定律不再适用。到底是什么因素限制了摩尔定律？到底芯片的密度到底可以缩到多小？虽然这些是相当重要的问题，值得做进一步的探索，但是属于非常专业的领域，所以这里不再做进一步的说明，留待有兴趣的同学自已去研究。目前的科技已经进入次微米时代，并且向奈米技术迈进，晶体管个数超过十亿个的集成电路将不再是难事。