文／簡麗賢

被譽為「護國神山」的台灣半導體（semiconductor）產業 ，在設計、製造、封裝到測試，皆具國際競爭優勢。談到護國產業，想到台灣積體電路（integrated circuit）公司，亦即台積電。半導體產業人力需求大，對國家經濟發展及穩定人民就業，裨益良多。

半導體與晶片chip是全球科技產業重要的議題，即使日前俄羅斯入侵烏克蘭，媒體報導焦點也提及戰火對全球半導體產業的影響。

摻入雜質 設計電路



什麼是半導體？半導體是導電能力介於金屬導體和絕緣體之間的材料，通常由周期表第四族鄰近的元素組成，常見典型的代表如矽、鍺，或是第三族和第五族元素組成的砷化鎵等。矽與鍺的半導體，晶體結構與鑽石相同，每個原子以共價鍵和4個相鄰的原子連在一起。由於沒有多餘可協助導電的價電子，所以純半導體在絕對零度時幾乎不導電，但隨著溫度升高或摻入微量雜質時，部分電子會因熱能激發而游離，或改變半導體的內部結構，因而大幅地提升它們的導電能力。利用這種摻雜（doping）的特殊性質，可設計各類電子元件。

利用半導體材料，可製成二極體和電晶體；二極體具有把交流電改為直流電的整流能力；電晶體則具有放大交流電訊號的能力。二極體和電晶體的體積非常小，使電子產品微型化。

積體電路 青出於藍



1947年，科學家以半導體做出電晶體，這是電腦裡面最主要的元件，逐漸揮別先前的真空管電路時代，也許可說電子工業革命的濫觴。

1958年後，科學家繼續發展電子電路的技術，在邊長數毫米，其薄如紙的晶片，依照設計的電路，一層一層地長出所需的電晶體、二極體等電子零件。晶片上蝕刻的寬度可小於1微米，也就是100萬分之1公尺。電子零件之間的接線是利用蒸鍍的技術，直接將金屬導線鍍在需要的位置。

利用蒸鍍技術，可以在一晶片內容納上百萬個電晶體，並且大量生產，降低成本。在一塊大面積的晶圓（wafer），同時製成許多結構和性能完全相同的小晶片。每一小晶片就是一個完整的電路，稱為「積體電路」，簡稱IC。

以同樣性能的電路而言，積體電路和1940年代真空管、1950年代的電晶體比較，積體電路比前兩者體積小得多，耗電量更低，性能更穩定。

若採用60年之前的電子真空管製造個人電腦，則其體積需占用一整間教室，消耗的電力更可觀。積體電路引領電子產品走向「輕、薄、短、小、美」的趨勢。

發展半導體產業，使用「輕、薄、短、小、美」的晶片製成數位相機、筆記型電腦等用品，體現「科技始終來自於人性」。

電子與電洞

半導體材料的特殊性質是摻雜或加入微量的雜質原子，可大幅提升材料的導電性。

摻雜原子的價電子數通常和矽原子不同。例如第五族元素砷的原子有5個價電子，比矽原子多出1個，因此以1個砷原子取代矽原子，就相當於多加1個自由電子，可做出二極體（diode）、電晶體（transistor）等元件，並且可組合各種功能的電子裝置，例如發光二極體（light-emitting diode），簡稱LED，普遍用於儀器的顯示燈。

1990年，科學家中村修二重要突破，首先以氮化鎵研發出藍光LED，結合紅光和綠光，成為照用的白光。與一般白熾燈泡比較，LED省電，壽命長，取代傳統照明，成為人類照明設備的主力，廣泛用於交通號誌、汽車方向燈等。