2023年8月30日 星期三

投資半導體的第一步,從了解半導體開始!(Smart投資半導體)

本書除了說明半導體製程,同時點出其中的具潛力的企業,讓你不再憑感覺買股票,鍛鍊你的投資腦,從此不再困惑為何買進的企業營收上漲,股價卻下跌,看懂半導體族群股票漲跌原因,扎實、安心賺進投資報酬。本篇只介紹「投資半導體的第一步,從了解半導體開始!」。

導體、絕緣體與半導體

導體是一種電阻低、可輕易導電的物質。更具體地來說,可以輕易傳導熱和電流的物質,我們稱之為導體。為什麼導體的導電性這麼好呢?因為圍繞在原子核的部分電子可以輕易地通往原子外部,再透過其他的原子移動,而這就是電流的原理。

相反地,絕緣體則是在一般條件之下不導電的物質。試想電線一下,電線內部有可導電的金屬,外面則有絕緣材質的塑膠皮,也就是所謂的導體和絕緣體組成一個產品。

那麼半導體是什麼?如字如其意,半導體的意思就是,只有一半是導體的物質。導體的英文是conductor,所以半導體的英文則是加上semi(一半),稱之為semiconductor。

為什麼只有一半是導體呢?這是因為,半導體最大的特色,就是可以在導體和絕緣體之間自由轉換,同時兼具兩者的特性。一般情況下,本來絕緣體,但在特殊修件之下就會轉換成導體,反之亦然。像這樣介於導體和絕緣體之間的物質,在科學上稱之為「半導體」。

超過110種化學的元素週期表中,依不同的性質分成導體、絕緣體和半導體。但在這麼多的元素當中,真正被當成半導體材料使用的自然元素,其實只有兩個。那就是原子序數14的矽(Si)以及序數32的鍺(Ge)。因為矽在也球上蘊藏量更豐富、容易取得、價格便宜,故製造半導體大多是以矽為原料來生產。

為什麼需要半導體

半導體是一種會依造不同的環境條件,在導體與絕緣體特性之間游移的物質。而我們可以利用這樣的特性,製造出極精細的開關。若假設半導體不導電時,則開關關閉;而變成可導電的導體時,開關就是開啟狀態。

如果將不導電的絕緣體狀態定義為0,導電的導體狀態定義為1的話,就能生成0和1的數位訊號。透過這樣的方式,由1和0組成的無限多資料的儲存和運算便得以實現。半導體就是扮演著讓各種電子設備運作的「開關」,同時也是生成數位訊號0與1時的必要條件。

摻雜

如果說半導體是在特定條件下,切換於導體和絕緣體之間的物質,那麼這個特定條件是什麼?又是如何形成的呢?其實,是透過摻雜。

實際上,正常的矽不會只因為電壓,就產生在導體和絕緣體之間切換的變化。這是因為純淨狀態的矽,是沒有自由電子的本質半導體。因此就需要加上「摻雜」這個條件。在元素週期表上,矽周圍的元素有原子序5的硼(B)、原子序15的磷(P)和原子序33的砷(As)。如果將極少量的這些元素加入矽,這就是「摻雜」。

我們在學校化學課上都學過「價電子」的概念。用矽來解釋的話,矽的原子核外圍繞著14個電子,其中最外層的4個電子就價電子。而硼、磷或砷的價電子則分別為3個或5個,當摻雜到矽裡時,問題發生了?

例如,有3個價電子的硼會向矽伸出三隻手臂,希望跟矽原子鍵合,但問題是矽需要4個價電子。所以矽在加入3個價電子的物質時,會維持在缺乏電子的狀態,而這種半導體就被稱為「P型(p-type)半導體」。

不同於硼,磷的價電子有5個,比矽多一個。當磷被加進矽裡時,就會多出一個自由電子露宿街頭。所以矽在加入5個價電子的物質時,會維持在電子過多的狀態,而這種半導體就被稱為「N型(n-type)半導體」。

因此,半導體若透過加入非常大的雜質(摻雜),讓缺乏的電子數量(P型)或自由電子的數量(N型)愈來愈多,就會愈來愈容易導電(接近導體),從某一刻起,就會完全出現導體的特性。所以,在半導體製程的前段,摻雜是非常重要的一環。

結語

本書將一些陌生的概念轉換成淺顯易懂的敘述,很像針對半導體產業所寫的科普書。尤其對於非理工科的讀者,也可以看得懂其中的內容。值得一讀。


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