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。

 

兩兆雙星

圖片來源:全國就業e網

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:

 

  半導體種類

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:

 

pn

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!

 

二極體

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:

 

BJT  

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:

 

BJT2

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:

 

LED

綠光LED,來源:东莞市源晶光电

 

太陽能電池

再來看太陽能電池!大部分太陽能電池的原料也是矽,不過它並不需要像一般的半導體等級的矽經過嚴密的純化!一般半導體等級的矽必需要是99.999999999%的多晶矽(11個9,或稱11N),而太陽能電池等級的矽只要7N即可!來看看它的內部結構:

 

太陽能電池內部

圖片來源:wiki

 

可以發現,它的結構也和二極體,LED,電晶體等一樣,是PN接面的半導體,它的原理是利用「陽光照射矽原子時激發出其電子並產生電流迴路,再把這些電能儲存起來」。講到這裡,大家應該能分辯這些半導體的結構和各自的功用了吧!來看看太陽能電池的圖:

 

太陽能電池

圖片來源:DigiTimes

 

積體電路:

分離式半導體和光電半導體都交待完了,最後是最重要的積體電路!

前面已大概提過,積體電路就是intergrated circuit,是把一堆半導體元件如電晶體、二極體、電阻、電容等全部整合到一顆IC上。用聽的就覺得很複雜了吧!這個IC製程就是台積電(2330)、聯電(2303)最善長的囉!先來看看IC電路圖:

 

IC電路圖

圖片來源:第一價值

 

電路圖上的一個個元件就是前面提過的電晶體或是二極體之類的半導體元件囉!除了半導體元件外,還有所謂的被動元件電阻、電容、電感等。基本上,現在的技術已經可以做到在一顆IC上有數十萬個以上的元件囉!來看看IC長什麼樣子!

 

IC

圖片來源:精機通訊

 

如何?有印像吧?就是你的主機板上那一顆顆的東西囉!

 

終於講完了!大家應該對半導體的種類有個大概的輪廓了吧!下一篇會講半導體製造的大概流程,從上游的矽晶圓製造、IC設計,到中游的IC製造,到下游的IC封測等。這篇也還是概論性的文章,接下來才會慢慢深入到各子產業和公司喔!

 

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