半導體是什麼？簡單易懂｜原理・角色與生活中的應用

本文重點

導體・半導體・絕緣體的差異

物質的電氣性質可用能帶理論說明。金屬（導體）的價電帶與導電帶互相重疊，電子可以自由移動，電流容易流動。絕緣體的能隙很大（5eV以上），電子無法躍遷到導電帶，因此幾乎沒有電流。半導體的能隙較小（矽約1.1eV），電子可藉由熱或光的能量被激發到導電帶，使電流適度流動。這種「容易控制」的性質，正是電晶體運作的基礎。

矽結晶與摻雜

矽是原子價為4的元素，與相鄰原子形成共價鍵，構成規則的鑽石結構。在純矽（本質半導體）中加入微量的磷（P）或砷（As）等5價元素，自由電子會增加而成為N型半導體；加入硼（B）等3價元素，則電洞增加而成為P型半導體。這種摻雜技術與PN接面是電晶體設計的起點，在製程中則透過離子佈植或擴散爐精密實施。

為什麼矽是主角

矽主導半導體產業的理由有幾個。首先，矽可由地球上蘊藏豐富的矽石（SiO₂）提煉，成本低。其次，透過熱氧化可自然形成優質的SiO₂（可作為閘極絕緣膜）。再者，高純度單晶矽晶圓的製造技術（柴可拉斯基法）已經成熟，直徑300mm晶圓已經量產。GaAs、InP、SiC、GaN等化合物半導體雖然也用於高頻、光電與電力用途，但泛用性不及Si。

半導體的應用範圍

以半導體材料製成的元件種類繁多。邏輯半導體（CPU、GPU、FPGA）負責邏輯運算，記憶體半導體（DRAM、NAND）用於資料儲存。功率半導體活躍於EV與電源電路的電力轉換，感測器、發光二極體（LED）與雷射也都是半導體元件。這些產品全都以矽晶圓或GaN、SiC等半導體材料為起點，經過前段製程（電路形成）與後段製程（封裝、測試）才成為產品。

生活中的產品用在哪裡？

每1支智慧型手機內，都有負責運算的處理器（SoC）、儲存資料的記憶體、相機的影像感測器、管理電池的電源IC等數十顆以上的半導體晶片。汽車從引擎、煞車控制到自動駕駛用感測器，每1輛車使用數百～1,000顆以上，EV中驅動馬達的功率半導體更左右續航里程。冷氣與冰箱的節能控制、資料中心的AI伺服器、LED照明，也都少不了半導體。

為什麼半導體被稱為「產業之米」

由於半導體是各行各業產品不可或缺的基礎零組件，因此被稱為「產業之米」。2021年前後的半導體短缺迫使汽車廠商減產，也讓人看清一旦供應中斷就會衝擊整體經濟。製造最先進的晶片，需要投資規模達數兆日圓的工廠與高階製造設備，台灣、韓國、美國、日本等都將其列為國家政策，競相投資。日本也有台積電（TSMC）的熊本廠（JASM），以及以2nm世代日本國產化為目標的Rapidus北海道工廠正在推進。

日本半導體產業的強項與主要企業

日本在晶片本身的全球市占率上落後美國、台灣與韓國，但在製造設備與材料方面擁有眾多世界頂尖企業。代表例包括東京威力科創（TEL，薄膜沉積・蝕刻設備）、SCREEN（清洗設備）、愛德萬測試（Advantest，測試機）、信越化學與勝高（SUMCO，矽晶圓）等。晶片廠商方面，鎧俠（Kioxia，NAND快閃記憶體）、瑞薩電子（Renesas，車用微控制器）、索尼（Sony，影像感測器）也具有相當的存在感。各公司的營收規模與全球排名，可在日本半導體企業排名中比較。

延伸閱讀

常見問題