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陳良基:我會跟外星人交朋友

鄭國威 Portnoy_96
・2017/09/08 ・5932字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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陳良基部長接受泛科學訪問。圖/BY 泛科學

1956 年夏季,由約翰·麥卡錫(John McCarthy)、馬文·閔斯基(Marvin Minsky)、克勞德·夏農(Claude Elwood Shannon)等科學家組織的達特茅斯會議(Dartmouth Summer Research Project on Artificial Intelligence)邀集了數十位科學家,花了兩個月時間探討,並確認了「人工智慧」作為一門學門的誕生。就在約略同時,陳良基出生於在雲林縣的新湖村。

61 年之後的現在,陳良基成為科技部成立後第四任部長,上任後力推人工智慧,同時也接手處理諸多棘手挑戰,包括研究誠信爭議、高等人才流失、以及科技部定位模糊等。帶著來自泛科學社群的好奇,我去找了陳部長聊聊。

「僵化啦,就是什麼都動不了!」

一開始就直率到讓我呵呵笑的科技部長陳良基,戴著眼鏡,穿著標準的「教授牌」直條紋白襯衫跟深灰色的西裝褲。在他位於科技大樓的辦公室中,書架上看過去都是專業科研期刊,大大的茶几上放著一個不大的地球儀,除外沒有什麼多餘的擺飾。

直率的科技部長陳良基,戴著眼鏡,穿著標準的「教授牌」直條紋白襯衫跟深灰色的西裝褲。圖/泛科學

下注在年輕科學家身上

對被稱為「點子王」的陳良基來說,公務機關的確沒那麼好施展,那又該怎麼做呢?上任立即拋出研發、創新產業、人才培育三大目標,他強調:

「小國大戰略,小國不代表沒機會,但要策略精準。」

陳良基認為基礎科學非常重要,基礎科學有突破才能有後續。如果從諾貝爾獎來分析,大部分諾貝爾獎得主的發明與發現是在他們 25 到 37 歲之間完成的,所以若真的要爭取諾貝爾獎,他認為關鍵在於先讓年輕的學者跟學生有好的發展機會,而年輕學者更該是科技部投資的主要標的,因為年輕學者可以帶出優秀的學生。

為此,陳良基要求科技部提出特殊獎勵方案,希望能有一筆專門的經費來養成年輕學者,在基礎科學領域深耕,讓他們的想像力能有機會實現。

方案規劃一年選出五十位年輕學者,以五年為期,給予數百萬等級足夠經費,最重要的審核標準就是想像力跟原創性。「年輕學者的養成,想像力比知識重要,要讓科學家帶領我們」,他稱之為「愛因斯坦計畫」。

陳良基要求科技部提出特殊獎勵方案,希望能有一筆專門的經費來養成年輕學者,在基礎科學領域深耕,讓他們的想像力能有機會實現。圖/BY Weipeng_Lin@Pixabay

除此,陳良基認為台灣的年輕科學家要能離開本地,在國際學術上有地位,於是他另提出與「愛因斯坦計畫」銜接的「哥倫布計畫」,鼓勵 40 歲以下的科學家探索科技新大陸、爭取國際學術地位。這項計畫經費增加到每年千萬等級,五年一期。兩個計畫加起來,預計每年能讓 80 位台灣最優秀的科學家突破既有限制。在四年的前瞻計畫期間內,就可以讓將近 300 位嶄露頭角。後續若效果不錯,陳良基希望能納為年度計畫,讓一代又一代的生力軍一棒接一棒。

「我們賭在年輕學者上,等他們以後有機會,可以反過來帶領台灣,」他說。

基礎研究由專業主導,專案研究重在地需求

投資在年輕人身上說起來政治正確,不過科學研究領域那麼多那麼雜,要如何平衡發展?

回到小國大戰略的基礎,陳良基認為平衡是假議題,基礎研究不能講求平衡,而是要交由專業來判斷。當然,針對不同的專案,政府還是有考量,畢竟不是每個領域,台灣都要或都能投入大筆經費。例如在地震頻發的台灣,就設有國家地震工程研究中心,他認為像這種特定主題沒有平衡的問題,而是每年都要投入固定經費。陳良基更表示,他一直認為台灣是個海洋國家,在海洋科學上就該投入更多才對。

講到這,就不得不提到目前國內外都大力投入的人工智慧了。陳良基認為人工智慧是台灣產業躍升最重要的一波機會,科技部也將在未來 5 年投入 160 億,推出五大計畫,第一要建立大規模的共用高速運算環境,讓 AI 技術服務公司可以運用,再者則是創設 AI 創新研究中心,形成世界級的研發聚落,培養人才。第三是打造智慧機器人基地,讓軟硬整合。第四要讓台灣的強項半導體結合 AI ,以射月計畫協助半導體產業進入 AI 時代。最後則是帶動社會參與,舉辦科技大擂台,廣邀好手挑戰重大課題,第一波擂台挑戰就是「與 AI 對話」,以電腦的中文聽力理解為競賽主題。

陳良基認為人工智慧是台灣產業躍升最重要的一波機會,科技部也將在未來 5 年投入 160 億,推出五大計畫。圖/BY geralt @ Pixabay

以第四項半導體射月計畫來說,陳良基特別強調「AI Edge」,也就是 AI 在終端的應用。再往五年後、也就是 2022 年去想,到時全面進入物聯網社會,大家使用的設備將會激增,都將具有深度學習能力。要讓這不遠的未來能夠真的實現,現在就要開始開發能源損耗更低、待機時間更長、能讀寫快速及擁有智慧運算能力的記憶體。另一重點就是要做出高效率、高靈敏度的感測器,因為智慧終端裝置要靠這些感測器才能獲取環境中的資訊。

「大家都說雲端,但台灣沒有太多機會,終端其實對台灣其實比較有優勢。」

陳良基認為科技部是扎根的角色,自己小時候種田,這經驗讓他特別重視「生態系統」,他認為要讓產業邁向前沿,有好環境最重要,因此「要讓養分均勻、好好施肥澆水除草,不是只看開花結果。」

科技部是每個部會的前哨

但等等,聽起來科技部是不是越來越像經濟二部了呢?這樣的批評聲音其實不是最近才出現,從國科會時期就有,陳良基也知道,但他認為真正的關鍵不是讓科技部回歸某種單純的角色,而是要認知「科學、科技、與創新的生態循環速度變得越來越快了」這樣的現實。

陳良基認為科學是為了滿足人類的好奇心而去探索未知,這是第一步;第二步是開發,第三步是交付,也就是成為產品。科學家的嘗試,後來變成社會的常識,就是進步。在以前,這一二三步分得很清楚,如今循環越來越快,雖然分工還在,但不同部會觀察循環時自然會更注意效益,也就是各自的社會使命跟責任。

陳良基直言,大家也不希望資源投入時亂槍打鳥,如果能知道其他部會的目標,方向才準確。他認為科技部的位置還是在最前沿,扮演每個部會的前哨去「面對未知,先搞清楚怎麼做,然後再交給其他部會。」

陳良基表示,如今變動來的又快又急,科技部身為政府單位在前沿投入,得多想一下可不可能產生什麼效益,但他認為跟經濟部還是很不一樣。

「我以前在大學教創新,重點就是價值鏈。在價值鏈中,每個人貢獻一部分,那誰可以掌握最高的價值?答案是循環最快的才能掌握價值,能夠越快交付,才能掌握整個價值鏈的最大產出。」

這幾年你可能也覺得前沿科學獲得應用,產品化或服務化的速度越來越快。我們不也一直期待政府能夠轉得快一些,別像《動物方城市》裡頭的樹懶那樣慢慢來。只是這轉啊轉的,是不是有什麼東西被甩出去了呢?例如……學術倫理與研究誠信?

陳良基部長認為科技部的位置還是在最前沿,扮演每個部會的前哨去「面對未知,先搞清楚怎麼做,然後再交給其他部會。」圖/泛科學

要讓想用科技騙科技部的錢的人付出代價

台大前陣子發生的論文造假事件餘波盪漾,對與台大有深厚淵源的陳良基來說,他以一貫的工程人思維把問題分成兩類:一是發明,二是發現。發明,也就是做出東西來,當然要確保可以再現,造假的機會少。而發現就比較複雜,有時一位科學家可能是全世界第一個發現某件事的,可是萬一只是「推測」為發現,又急著發表,就會出問題。萬一這個現象不是真的,誰看到算數?大家都說有圖有真相,然而圖片處理技術快速提升,也讓真相撲朔迷離,不過若想抓出造假,也得靠科技。陳良基說:

「我們要對納稅人交代。只要抓到造假,用錢的人跟用錢的單位,就要把所有科技部的錢吐回來。學校拿科技部的錢可能是幾億,這樣壓力很大。嚇阻是為了預防,造假者想得名得利,就要讓他們名利都得不到。」

陳良基認為,科技部設立研究誠信辦公室,重要的工作是跟國際上其他學術倫理單位能對接,國際上風吹草動,台灣要能掌握,但是針對研究有沒有造假,還是要回到各個專業領域來判別,也才符合科技部強調專業的本色。陳良基得知在天文研究領域,因為天文科學研究設備都超級昂貴,所以非常要求資料公開與共享,所有的實驗研究資料,都要登錄到一個單位,由一個獨立法人來管理。他想或許其他領域也可以效法,會請國研院邀請各領域專家來看看是否可行。

科學傳播是門專業

要是希望民眾對科學界的印象不要被幾樁醜聞給搞壞,或許科學傳播就是關鍵。在今年 7 月 28 日舉辦了一場公聽會,立委黃國書等人針對科學技術基本法修正之後增加的科學普及經費用途跟用法做了討論,包括泛科學在內的諸多台灣科學傳播與教育公司都到了現場提出意見,兩個多小時的溝通,陳良基全程參與。他認為科學普及或科學轉譯是門專業,自己也驚訝於台灣有那麼多人投入科普,他認為科技部應該邀請這些專家來規劃,在專家的想法上往前跑,第一步就從成立諮詢委員會做起。

近來諸多社會爭議都有科學面向,科學家介入解釋的角色吃重,陳良基認為科技部培育了不同領域的科學家,他們若願意,可以對這些議題發聲,不只是自然與應用科學,像是同婚議題就需要社會科學領域專家的意見,讓專家告訴大家,專業對這些議題的想法是什麼。「我們會鼓勵。如果部會需要專家,科技部可以提供名單」,陳良基快速算了一下表示,國內有 48,000 多位教授,科技部每年支持約 30,000 名研究者,這些人都可以提供社會往前邁進所需的知識。

實際上的情況或許沒那麼樂觀。在台灣,科學傳播對教授來說算不上吸引人的差事,儘管科技部的確有科教學門,但升等是由教育部來決定,無法列為升等條件的科學傳播工作對年輕的助理教授或副教授來說甚至有負面影響。陳良基認為,學門經費怎麼用,還是由領域內專家自己決定為妥。如果專家認為科學傳播值得鼓勵,那自然就會列入。專家可以研究科學傳播,或是投入人才培育,不過這都要由專業學者來決定。

那到底誰來決定?不只是科學傳播,科技部計畫的審查制度也不乏批評。陳良基為解決這問題,要求所有科技計畫的審查委員都必須公開,而且要年輕化。

「我對外說過,當過政務官、大學校長、或掌握過較高權勢的,都不可以再來擔任科技部的審查委員。」

他上任之後要求科技部的審查委員會的審查委員必須有一半以上年紀低於 50 歲。

問題會發生,通常是環境造成,就像田裡的作物長不好,怪在作物上頭沒意義,他認為不該執著於個案,而是要從改變環境著手。

圖/BY lumix2004 @ Pixabay

那又是什麼樣的環境造就了陳良基呢?在他念小學時,兩位華人科學家楊振寧、李政道的成就讓他迷上了科學,從小也喜歡動手自己做,更早早立下了當個工程科學家的志向,如今也貫徹始終地達成了。但如果在另一個平行宇宙有重新選擇的機會,他會希望自己的人生走上別條路、做些別的事情嗎?他想了想:

「我還是喜歡做東西,看到問題,就去想怎麼做個東西來解決掉」。

「所以不改其志囉?」我問。

「不改。」他堅定地說。

但當上科技部長,能夠不改其志嗎?若是非得執行某些政治上有壓力,但是卻「不科學」的任務,該怎麼辦呢?他笑著表示,目前還沒有遇到,但是「如果我有夠清楚的資料,我還是會反應」。

由於各項任務正在加緊腳步推展,陳良基說每天真的太忙了,沒什麼時間看書,大概就是翻翻《科學人》、《科學發展》,以及專業的科學期刊,許多跟人工智慧有關,因為其實他在台大時就開始研究人工智慧晶片,加上現在推行的任務,都得對研究趨勢有所掌握。

對他來說,做研究是自己喜歡的事,但研究的辛苦還是不在話下,所以當他看到假新聞、偽科學流傳,總忍不住氣憤,覺得自己做研究那麼累,卻總是有人胡說八道,有時在 LINE 上頭收到朋友傳來這類訊息,也覺得頭疼。他開玩笑說還好當部長之後「沒什麼朋友了」(P 編:驚!)。

跟外星人交朋友吧

「網路真的太多錯誤訊息」說到這,還以為他要痛斥某個案例,但他卻接著說「但這也代表大家對於科學議題有好奇心,不然大家也不會被這些偽科學吸引,所以其實可以正面思考。」他認為有些人聳動地說 AI 會讓人沒有工作、甚至毀滅世界,他就不認為這是正確的論述(P 編:Elon Musk ,你攻跨邁?),若他有機會能傳遞更多正面且正確的訊息,一定會把握。

好吧,人工智慧會不會毀滅世界,這問題我們看著辦。

圖/BY SoundTrackUniverse @ Pixabay

但說到世界毀滅的原因,外星高等文明也是選項之一。知名科學家霍金就曾警告人類,別跟外星人聯絡,「閉上嘴巴」,不然可能重蹈哥倫布到達美洲後,美洲原住民曾遭遇的悲劇。而科幻作家劉慈欣在著名小說《三體》中提出的黑暗森林法則,如今也成為對費米悖論的一種主流回答。

「如果部長是全世界唯一一個在地球上發現高等外星生命的,會怎麼做呢?」

訪問到最後,我很跳痛但認真問陳良基這個問題,因為我自己也時常自問會怎麼做:我要趁「他」不注意下手幹掉「他」嗎?我要把「他」囚禁起來嗎?還是跟政府報告把「他」拿去做研究呢?種種殘忍的選項在我腦中始終沒有個結論,我想知道身為科技部長的他會選哪一個殘忍的選項。出乎我意料地,陳良基說:

「我會表達地球人的歡迎之意,表達好客,有閒來坐啦!」

他接著說,

「可能是因為我成長的背景在窮困的鄉下,看到的陌生人都是比我們有錢的,對人家表示歡迎還是比較可以避免侵犯的方式啦!」

嗯,真是個正面思考的部長啊。

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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 718 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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將陽光轉變成電能的太陽能電池:太陽能電池不是電池——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/23 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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備受關注的再生能源

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。圖/pexels

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置,這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱,但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當,應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1-2 節提到的半導體光電效應(將光轉變成電能的現象)。不過,僅僅只透過照光,並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能,必須使用 pn 接面二極體(參考第 1 章 1-8 節)才行。

pn 接面二極體。圖/東販

圖 5-1(a) 為 pn 接面二極體,p 型半導體有許多電洞做為載子,n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後,接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散,電子則會往 p 型移動擴散,如圖 5-1(b) 所示。

移動擴散之後,接面附近的電子與電洞會彼此結合,使載子消滅,這個過程稱為複合。結果會得到圖 5-1(c) 般,沒有任何載子存在的區域,這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中,n 型半導體的帶負電電子不足,故會帶正電;另一方面,p 型半導體的帶正電電洞不足,故會帶負電(圖 5-1(d))。

因此,n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差,在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子,與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡,故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態,放著不管也不會發生任何事。也就是說,接面上有內建電位差之壁,不管是電子還是電洞,都無法穿過這道牆壁。

用光發電的機制。圖/東販

在這種狀態下,如果陽光照入空乏層,半導體就會在光能下產生新的電子與電洞,如圖 5-2 所示。此時,新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動,新的電洞則往 p 型半導體移動(圖 5-2(a))。於是,電子便會在外部電路產生推動電流的力,稱為電動勢。

在光照射半導體的同時,電動勢會一直持續發生,愈來愈多電子被擠入外部電路,於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體,與電洞結合(圖 5-2(b))。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

太陽能電池的結構。圖/東販

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5-3 所示。

為方便理解,前面的示意圖中,都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上,太陽能電池所產生的電流大小,與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好,就像圖 5-3 那樣呈薄型平板狀。

前面的說明提到,陽光可產生新的載子,這裡讓我們再進一步說明其原理。

pn 接面二極體的電子狀態。圖/東販

圖 5-4 為 Si 原子之電子組態的示意圖(亦可參考第 38 頁圖 1-11)。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合,故 Si 結晶的軌道填滿了電子,沒有空位(圖 5-4(a))。

若摻雜雜質磷(P)或砷(As)等 15 族(Ⅴ族)元素,形成 n 型半導體,便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道(圖 5-4(b)),與共價鍵無關,故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠,電子的能量愈高,所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量(參考第 57 頁,第 1 章的專欄)。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差,稱為能隙。

另一方面,如果是摻雜鎵(Ga)或銦(In)等 13 族(Ⅲ族)元素的 p 型半導體,會少 1 個電子,形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層,能量比自由電子還要低(圖 5-4(c))。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子,此處原子的電子組態皆如圖 5-4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時,原子的電子會獲得光能飛出,轉移到能量較高的外側軌道(圖 5-4(d))。此時的重點在於,電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話,電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定,波長愈短,光的能量愈高(參考第 217 頁,第 5 章專欄)。光能 E(單位為電子伏特eV)與波長 λ(單位為 nm)有以下關係。

E[eV]=1240/λ[nm]

抵達地表的陽光光譜。圖/東販

另一方面,抵達地表的陽光由許多種波長的光組成,各個波長的光強度如圖 5-5 所示。

由圖可以看出,可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52%的能量由可見光貢獻,紅外線約佔 42%,剩下的 5~6% 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光,將它們全部轉換成電能的話,轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的,無法吸收所有波長的光。

Si結晶的能隙為 1.12eV,對應光波長約為 1100nm,位於紅外線區域。也就是說,用 Si 結晶製造的太陽能電池,只能吸收波長小於 1100nm 的光,並將其轉換成電能。

不過,就像我們在圖 5-5 中看到的,就算只吸收波長比 1100nm 還短的光,也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明,可能會讓人覺得,如果半導體的能隙較小,應該有利於吸收波長較長的光才對。不過,並不只有能隙會影響到發電效率,圖 5-6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光,可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高,譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵(GaAs)。GaAs 的能隙為 1.42eV,轉換成光波長後為 870nm,可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高,所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

總之,GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點,只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此,研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好,以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

台灣東販
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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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快閃記憶體的原理:我們常用的 USB 記憶體與記憶卡——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/22 ・3591字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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快閃記憶體常被用在個人電腦的 USB 記憶體、數位相機或智慧型手機的記憶卡等地方。即使切斷電源,記憶內容也不會消失,屬於非揮發性記憶體,且與 DRAM 的隨機存取類似,可讀取、擦除、寫入內容。不過,快閃記憶體的動作較慢,無法取代 DRAM。

快閃記憶體由東芝的舛岡富士雄於 1984 年發明。

DRAM 會透過記憶體電容器累積的電荷來記憶資訊。而快閃記憶體則會透過 MOSFET 內的懸浮閘極累積電荷。

快閃記憶體的結構。圖/東販

圖 4-11 為快閃記憶體的結構。MOSFET 的閘極與 Si 基板之間,有個不與任一方相連的懸浮閘極。

這個懸浮閘極就是快閃記憶體的特徵。電荷儲存在這裡時,因為周圍是由氧化膜(SiO2)構成的絕緣體,所以電荷(電子)不會跑到其他地方。即使切斷電源,記憶體內的資訊也不會消失,為非揮發性記憶體。

快閃記憶體的懸浮閘極帶有電荷時,儲存的是「0」;無電荷時,儲存的是「1」。懸浮閘極可透過累積或釋放電子,來記錄或保存資訊。

資訊的寫入與消除。圖/東販

圖 4-12(a) 為寫入「0」的情況。此時源極、汲極、基板皆為 0V,並對控制閘極施加正電壓。

於是,Si 基板內的電子就會穿過氧化膜,於懸浮閘極內蓄積。「電子可穿過絕緣體氧化膜」聽起來有些不可思議,不過氧化膜相當薄,厚度只有約數 nm,所以電子可以透過穿隧效應穿過氧化膜。

因此,Si 基板與懸浮閘極之間的氧化膜也叫做穿隧氧化膜。寫入資訊「1」時,懸浮閘極不會蓄積電子,所以什麼事都不會發生。

當我們想要消除資訊,也就是消除懸浮電極蓄積的電子時,需讓控制電極電壓為 0V,並對源極、汲極、基板施加正電壓,如圖 4-12(b) 所示。這麼一來,懸浮電極內蓄積的電子就會透過穿隧效應穿過氧化膜,移動到電壓較高的基板一側。於是,原本蓄積於懸浮電極的電荷就會消失。

讀取已記錄的資訊。圖/東販

另一方面,當我們想要讀取資訊時,只要在控制電極施加一定的正電壓,便可透過從源極流向汲極的電流,讀取儲存單元內的資訊(圖 4-13)。

若懸浮閘極內有蓄積電子(「0」的狀態),這些電子的負電會抵消掉控制閘極施加的正電壓,使電流難以通過底下的通道。

利用懸浮電荷量不同來控制記憶體

若懸浮閘極內沒有累積電子(「1」的狀態),閘極電壓就會直接影響到基板,與 MOSFET 的情況一樣,故下方會有電流通過。所以由電流的差異,就可以判斷儲存單元的資訊是「0」或「1」。

即使懸浮閘極內有蓄積電荷(圖 4-13 的「0」狀態),要是對控制閘極施加的電壓過高,源極與汲極之間還是會有電流通過。

也就是說,懸浮電荷量不同時,使電晶體開始產生電流的閾值電壓(Vth,參考第 89 頁)也不一樣。故我們可藉由懸浮電荷量的控制來記憶資訊。

快閃記憶體的 SLC 與 MLC。圖/東販

由前面的說明可以知道,像圖 4-14(a) 這樣的單一儲存單元,只能記錄 1 個位元,可能是「0」或「1」。

用閾值電壓判斷單元狀態

不過,如果閾值電壓可任意控制,就可以將懸浮閘極依儲存的電荷量,從滿電荷到無電荷分成 4 個等級,如圖 (b) 所示。4 個等級可分別對應「01」、「00」、「10」、「11」。這麼一來,1 個儲存單元就可以記錄 2 位元的資訊。

因為每種狀態所對應的閾值電壓都不一樣,Vth01>Vth00>Vth10>Vth11,所以讀取資訊時,可以由閾值電壓判斷該儲存單元處於何種狀態。

可分成 4 種狀態的單元稱為 MLC(Multi Level Cell)。另一方面,只有 2 種狀態的單元稱為 SLC(Single Level Cell)。

MLC 的 1 個儲存單元可以記錄 2 位元的資訊。如果將 Vth 分成更多區間,還可以記錄 3 位元、4 位元的資訊,進而提升容量。不過,MLC 懸浮閘極寫入電壓的控制技術相當困難,MOSFET 對干擾現象又特別敏感,所以要做成增加更多層相對困難。

快閃記憶體的缺點

另外,快閃記憶體在記錄、消除資訊時,需使用 10V 之類相對較高的電壓,電子才能突破穿隧氧化膜。因此,反覆讀寫會造成氧化膜劣化,最後使儲存單元無法保留電子。也就是說,快閃記憶體的壽命比其他記憶體還要短。寫入速度較慢也是一項缺點。

另一方面,快閃記憶體與 DRAM 不同,不使用電容器,所以1個晶片可搭載的儲存單元較多,較容易提升容量。

快閃記憶體的組成——NAND 型與 NOR 型

NAND 型與 NOR 型。圖/東販

快閃記憶體與 DRAM 一樣,都是由許多儲存單元排列成矩陣的樣子。快閃記憶體可依組成分成 NOR 型與 NAND 型 2 種(圖 4-15)。

NOR 型的快閃記憶體結構。圖/東販

圖 4-16 為 NOR 型的快閃記憶體結構。除了字元線與位元線之外,還有「源極線」存在,且源極線需通以電流。

NOR 型的快閃記憶體運作方式與 DRAM 相近,較好理解。以圖中圈出來的儲存單元為例,讀取單元內的數值時,會在對應的字元線施加讀取用電壓,然後透過位元線讀取資訊。另一方面,消除或寫入資訊時,會對位元線施加寫入用電壓,字元線也會施加寫入用電壓。

實際上的運作相當複雜,所以不像 DRAM 那樣只有 0 與 1 的 2 種數值,不過和 DRAM一樣是一個個單元讀取、寫入。換言之,可以隨機存取儲存單元。

NAND 型快閃記憶體的結構。圖/東販

另一方面,NAND 型快閃記憶體的結構則如圖 4-17 所示。

NAND 型的結構中,同一條字元線串聯起許多儲存單元,稱為 1「頁」(page),多條字元線有許多頁,稱為 1 個「區塊」(block)。

NAND 型的頗面圖。圖/東販

圖 4-18 中,1 條位元線可串聯起許多儲存單元。這種結構有個特徵,那就是同一條位元線上,各個 MOSFET 的源極與汲極皆串聯在同一列上。這一列MOSFET製作在半導體基板上時,剖面圖如下。

基板上,1 個電晶體的源極,與相鄰電晶體的汲極共用同一個n區域,所以表面不需設置電極。少了電極而多出來的空間,就可以用來提升電晶體的聚積密度。

不過這種結構下,1 條位元線的電流比 NOR 型的電流還要小,所以讀取速度比較慢。另外,因為 1 個儲存單元比較小,所以懸浮閘極保留的電荷也會比較少,使資料保存的可靠度較差。

NAND 型的擦除與寫入步驟

NAND 型快閃記憶體需以 1 個區塊(含有許多頁)為單位進行擦除,以 1 頁為單位進行寫入。

因此,要更改 1 頁的內容時,必須將含有這 1 頁之整個區塊的資訊暫時複製存放到外部的其他地方,然後刪去整個區塊的資料,然後再把區塊資料複製回來,同時把要更改的內容寫進去。

也就是說,即使只是要改寫 1 位元的內容,也必須將整個區塊的資料都刪除掉才行。因為必須一次刪除廣大範圍的資料,所以被取了「快閃」這個名字。

快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置。圖/pexels

不過,寫入資料時是一次寫入一整頁資料,所以寫入速度比 NOR 型還要快。

若比較 NOR 型與 NAND 型,會發現 NOR 型的優點是讀取較快,資料的可靠度較高。所以像是家電的微處理器、含有簡單程式的記憶體等裝置,對讀取的需求大於寫入,便會採用 NOR 型快閃記憶體。雖然容量不大,寫入較慢,但這些裝置幾乎不會進行寫入動作,所以高可靠度、較快的讀取速度對它們來說比較重要。

然而,快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置,常需改寫儲存單元內的資料。此時,NAND 型的高聚積化就會是很大的優點。因此 NAND 型目前才是快閃記憶體的主流。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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