身在台灣的你（妳），對半導體元件了解多少？
文/ 李以明
科技日新月異，現在已經是人手一機的時代了，不難見到許多革新的科技在推陳出新；但你有疑惑過嗎？為甚麼當你對著手機輸入指令，或是操作滑鼠、鍵盤、電腦，乃至於ATM收銀機等等時，這些東西總是能給你你想要的操作呢？是的沒錯，能達成這樣子的結果，絕對要提到的是這個從上個世紀開始快速融入人類世界的產品 — — 半導體。
在台灣，相信一定都有聽過台灣經濟的中央山脈 — — 台積電，而不只是台積電，整個半導體產業根據工研院的統計，在2017年的產值高達2.46兆元，在2020年更是高達3兆，是世界前幾高的。也因此在台灣不論是身處哪個行業的人，對於「半導體」這 個名詞應該都不陌生，但當我們在看台積電如何撐起台灣經濟、台積電股票的漲跌的同時，他們做的半導體，究竟是甚麼呢？
甚麼是半導體？
那甚麼是半導體呢？顧名思義，它介於「導體與非導體」之間，不像導體會無止盡的導電，也不像絕緣體絕對不導電；而這項特性，正是他的價值所在。接下來，我們一起來看半導體中的一個重要的元件 — — 電晶體。說到電晶體，我們可以追溯到1948年的貝爾實驗室，由當時來自美國的肖克利（William Shockley）、巴丁（John Bardeen）和布拉頓（Walter Houser Brattain）組成的研究小組所製造出的電晶體被視作是現代電晶體的先驅；爾後小組成員之一的肖克利成立了半導體實驗室，其製作的原料「矽」就是美國「矽谷」的名稱由來，其影響之大可以見得。後來更有第一家上市公司把矽電晶體商業化，為今天矽谷的繁榮打下基礎；時至今日，半導體產業的繁榮我們有目共睹。
讓我們回到電晶體，由於電晶體也不只一種，我們今天將著重在現在市場上最常用的MOSFET(Metal-Oxid-Semiconductor Field-Effect-Transistor，金屬-氧化物-半導體場效電晶體，以下簡稱電晶體或MOSFET)。要理解MOSFET的原理，我們首先先來看看半導體的運作基石：P型半導體以及N型半導體。
P、N型半導體原理
P型的P，代表的是用帶「正電」的介質傳遞電流的材料；由上述我們知道，矽是半導體的材料，因為矽的化學特性讓他成為半導體製程中的良好素材。矽最外部的電子有四顆，也因此當我們用像是硼這樣只有三顆最外部電子的元素時來跟矽鍵結時，就會因為硼比矽少一顆電子而形成帶正電的P型半導體，並可藉由這樣的正電傳遞電流；相反的，若是用磷這種有5顆外部電子的元素時，就會多出一個電子來傳遞電流，形成N型的半導體，也就是用負電的電子傳遞電流的元件。但當PN型連結在一起時，會因為互補的關係，所以當我們沒有對他施加任何的外部電壓時，會形成一個平衡狀態而沒有電流。
MOSFET電晶體
而在了解了P型與N型之後，我們來看電晶體的構造。MOSFET電晶體分成P型(PMOS)和N(NMOS)型，以及我們的互補型(CMOS，就是兩種接在一起)，分別為圖三的a、b、和c。現在讓我們來看PMOS當中的構造，由圖可見這種電晶體有三個極，分別是源極(Source)、閘極(Gate)、以及汲極(Drain，「汲取」電子/正電荷的「極端」)。源極是電子的源頭，像是水壩的蓄水池一般，平常沒有用到的時候被閘極隔著，防止電子的流出；汲極是接收電子的終端，由源極流出的電子會流往這裡；而閘極則是有如水壩的閘門一般，控制水(電流)的流動。
在這三種型態的電晶體當中，不難發現我們每種電晶體裡面都有PN型連結。可能你會開始疑惑：不是才說PN型連結會導致沒有電流流通嗎？源極的電子根本沒有辦法到達汲極那這個東西不就跟絕緣體一樣了？此時，我們的閘極就扮演著很重要的角色。來看一下「NMOS」中的情況，當閘極沒有電壓時，整個電晶體是我們先前所提到的PN連結的平衡型態，沒有任何電流會流過；但當我們在閘極施加正電壓，正電荷會集中在閘極導致閘極帶正電，而下方P型矽晶圓的負電荷會被上面的正電荷吸引，吸附在氧化層下面 (如圖四的第二張圖所示)，在源極和汲極中間的P型頂端就會形成一條電子鍊。源極的電子就可以藉由這條被閘極電壓製造出來的通道來到汲極了。而在PMOS中則是相反的情形，也就是電晶體是要在閘極施加負電時才有電流流通。
我們為什麼想要這樣的結果呢？因為藉由PMOS跟NMOS相反的特性，我們可以藉由控制閘極的電壓與PMOS、NMOS的拼接，來達到我們想要的訊號輸出。例如在一個PN連結型的CMOS中(如圖三-c)，藉由控制閘極的不同電壓來控制電流要從PMOS流出還是NMOS流出，也就可以把訊號送到不同的地方。而這，只是最簡單的情況。
可能難以想像，現在的5奈米技術對比幾年前的14奈米，將這個構造縮小了一倍多！而3奈米技術的發展也正如火如荼的測試中準備投入市場！。隨著電晶體越來越小，堆疊起來之後傳遞訊息的速度也就越來越快。難以想像，隨便一台手機裡面，竟可以藏有數以百億甚至千億計的電晶體，如果一組PMOS和NMOS可以控制兩種訊號組合，難以想像千億個MOS疊加起來到底可以有多少種訊號輸出了。
類比(analog)電路和數位(digital)電路
在上一段所提到的「訊號輸出」是屬於數位電路的範圍。而在數位電路的世界裡，我們最關心的不是施加多少電壓後有多少電流輸出，而是我們能多快的從沒有電流跳轉到有電流的區間，也就是在二進位世界中的「1」和「0」的訊號，當我們要1的訊號時就施加電壓給MOS，稱作「開」，當我們要0的訊號時就不給MOS電壓，稱作為「關」。在理想的狀態下，我們希望開關的動作在一瞬間就可以達成，這樣對於我們在操作各種訊號或相關器材上都會方便的許多。而這樣子只在乎開和關兩個狀態的MOS電路我們稱之為「數位電路」
除了單純的只看1、0訊號的數位電路之外，MOSFET更可以當作一個放大器來使用，也就是所謂的類比電路。放大器，顧名思義就是當我們從閘極輸入一個小小的訊號，我們就可以從汲極得到遠大於輸入訊號的輸出訊號。這裡，我們在意的不是MOSFET單純有沒有訊號，而是我們輸入的訊號能被放多大。而這樣專注在從小訊號到大訊號的電路我們稱之為「類比電路」。
知道了電晶體，然後呢？
我們現在總要追求資訊傳遞的速度，而當我們電晶體的大小越小，我們傳遞訊息的速度也就越快、成本越低；台積電甚至向全世界宣告：「在2050年，我們的電晶體可以做到小於1奈米」，可見屆時我們資訊傳遞的障礙會是變得多麼的小，成本又會降到多低。不過從上面的敘述可能很難看出來半導體產業到底有甚麼實際的用處，但其實在我們的日常生活中半導體幾乎是無所不在。小到一個充電器，到汽車裡面的電池，再到最近幾年的5G通訊技術，半導體都有很大的作用，甚至可以說，半導體對於我們的生活已經是不可或缺的一部份了。不過這些功能是題外話，這裡先不多做討論。
身在台灣，你不可不知的半導體產業困境
經過介紹之後，相信大家對於半導體產業已經有有一定程度的認識；作為半導體產業龍頭的台積電在台灣更是被稱為「護國神山」，可見半導體產業對台灣的重要性。據2020年的統計，半導體產業佔了台灣GDP總額的15%。我想絕大多數人都同意半導體的未來展望性以及其功能的強大；但轉個念頭，如果你今天去賭場賭博，你有數以千計的選項可以選，但卻選擇把百分之十五的身家都押在其中一個賭注上，這似乎看起來不是一個十分明智對吧。而為甚麼會把半導體產業比作一個賭局呢？因為半導體產業是高科技產業，生命週期短、汰換率高，拚的是研發、是技術，這樣子的產業基本上是不穩定的，更可怕的是，台灣半導體產業的利潤當中，近一半都是由台積電所創造的，如果這個資訊沒有給你甚麼害怕的感覺的話，想像一下一個國家把將近一成的經濟押在一間民營公司上，聽起來是不是變的很危險了呢？
有人說台灣不是半導體強，而是其他產業太弱；我不是很能認同這種說法，因為台灣半導體產業的強盛是有目共睹的，說台灣半導體不強，大概只是為了反對而反對。但我非常同意其他產業不夠強盛的說法。我認為現在台灣這種單核心的操作很容易造成經濟崩潰，只是現在的台積電還足夠強大到可以支撐住，所以我們沒什麼感覺。因此，我認為台灣需要在有台積電的半導體產業上開發更多的產業，讓其他產業也能夠跟半導體產業一起支撐台灣的經濟，這樣才能創造出更繁榮而穩定的經濟，而不是年年都在跟半導體產業賭博。
參考資料
1.Razavi, B. (2015). Microelectronics (2nd ed.). Wiley.
2.介紹半導體 | AMD. 介紹半導體. Retrieved July 20, 2022, from https://www.amd.com/zh-hant/technologies/introduction-to-semiconductors
3.晶圓代工爭霸戰：半導體知識（前傳）. 寫點科普 Kopuchat. https://kopu.chat/2017/03/24/ic-terms/
4.鄭琪芳. (2021, January 20). 財經觀測站》成為「護國神山」的必要條件 — 自由財經. 自由時報電子報. Retrieved July 20, 2022, from https://ec.ltn.com.tw/article/paper/1426737
