Good Tool: 半導體產業概論-半導體種類

source: 電子產業研究所 http://zhe09.pixnet.net/blog/post/50916049

我們為什麼要先研究半導體產業呢？

相信大家都聽過「兩兆雙星」這個計畫吧？就是政府在2001年時所推動，希望在2006年時，台灣在「半導體產業」和「面板產業」的市值都能各自達到一兆元。

圖註：右邊那個廠房就是代表半導體的晶圓廠，我研究很久後才發現的！

結果，也確實都達到了。但現在看來，半導體產業成為了台灣電子產業最重要的支柱，從上游的IC設計，中游的IC製造，到下游的IC封測等，這幾年的獲利都很棒；但，面板產業卻還是在泥沼中爭扎。為什麼呢？

有人說是「關鍵技術掌握在別人手上」「面板光是材料成本就佔了總生產成本的七到八成」等，但我覺得，最源頭的原因還是在於「面板產業難做到差異化」，這點其實和DRAM的困境是一樣的。半導體可以有很多應用，每個廠商都挑一個利基做，各自掌握關鍵技術；但是面板和DRAM產業相對起來就沒有什麼利基了，關鍵就是在拚產能、拚誰先達到規模經濟，拚到某個大廠倒下後，大家就停下來喘口氣，一起吃他的肉喝他的血，瓜分他倒下後留下的市佔率缺口，然後再等待下一場戰爭的到來。

扯遠了，回到主題，為什麼要先研究半導體產業呢？因為

(1)電子產業總市值佔台股總市值的60%左右，而半導體產業總市值又佔電子產業總市值的40%左右，當然是台股中最重要的族群

(2)半導體位於電子產業的最上游。研究產業時，從上游開始學習是最有系統的。當你往下游走時，可以清楚的知道這些產品是由哪些上游原素斷構成。

了解半導體產業的重要後，我們當然要先問：半導體是什麼？

半導體就是導電性介於導體和非導體之間的元素和化合物，如矽、鍺、砍化鎵...等。也就是這種要導不導的特性，才給了人們控製它的能力！

半導體依「產品」可分成以下幾類：

圖片來源：自製

先從大方向來看，分離式半導體其實是相對於積體(整合)電路。分離式半導體是單獨的元件，比如說一個二極體或是一個電晶體；而積體電路就是我們常聽到的IC(Intergrated Circuit)，一顆IC上就整合了幾十萬個電晶體、二極體、電阻、電容等元件。那，為什麼不把所有元件都整到IC裡，而要有單獨的分離式元件呢？因為有些型態的半導體元件因其特性，並不適合整進IC裡，比如說功率電晶體。

接下來，我們深入來看每個元件：

分離式半導體：

二極體

先來看二極體吧！二極體是最簡單的半導體，一般是用矽做成。二極體是一個兩端元件，在順向偏壓下(電位差大於0)會有電流通過，反之則否。可以把它想像成是一個「開關」。電流是什麼？為什麼會有電流流動呢？

先問你一個問題，為什麼你能夠聞到牛排(剛煎好的，超新鮮的，只要加一點點鹽就很好吃了！)的香味呢？因為氣體濃度分散不均勻，香氣會從濃度高的地方(牛排附近)往濃度低的地方(你的鼻子)擴散。這就是氣流。

電流也是一樣囉！半導體在外加電壓下，電子和電洞的濃度會形成不均勻的分佈，會從高濃度的地方往低濃度的地方擴散，於是就形成電流囉！我們來看看示意圖：

圖片來源：wiki

所謂的P型半導體就是指在矽中「摻雜」帶正電的離子(如三價的硼+)，而N型半導體就是在矽中摻雜帶負電的離子(如五價的磷-)。當正負電中和後，會形成電場。只要外加電場的強度超過內建電場，就可以促成電子和電洞的流動，也就形成電流囉！

我們來看看二極體的外觀長什麼樣子吧！

來源：wiki

電晶體

再來是電晶體。電晶體一般也是用矽做成的，是一個三端元件。基本上，可以把他想像成是一個較複雜的二極體(它是三極體)，二極體是PN接面，電晶體則是PNP或是NPN接面，共有三種使用方式，共射極、共基極、共集極等。雖較複雜，但概念上還是不失為一個「開關」，就是在某些電位差下，會產生某些電流。我們來看看電晶體的內部結構：

圖片來源：勞工安全衛生研究所

是不是和二極體很像呢？關於這些製程的做法，我們之後也會詳細說明。接下看看電晶體的外觀：

來源：徐業良教授教材

如圖，最左邊的是他的外觀和三個腳位，中間的是宅宅最常看到的電晶體的電路圖，右邊則是電晶體的外觀。

光電半導體：

發光二極體

看完分離式半導體後，來看看光電半導體。

先來看發光二極體，也就是現在最有夢的LED。LED和上述提到的二極體十分類似，所以它的內部構造和上面二極體的圖是一樣的。但，它們的功能不同，材料也不同。一般的二極體是用做「開關」，原料是矽和硼、磷等摻雜物，；而LED的做用是「發光」，原料則是能發光的材料，像是砷化鎵、鋁砷化鎵等。為什麼LED不用一般二極體常用的矽就好，要用奇怪的化合物呢？因為矽是無法發光的喔！~~順道一提，不同的化合物碰撞就會產生不同顏色的光喔！很有趣吧！~~這以後都會提到！我們先來看看LED的樣子：