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「不要被人潮推著走」—清大動機系、台大電機所,現為德州儀器技術專家的他想對思索職涯中的學弟妹說……

鄭國威 Portnoy_96
・2020/06/11 ・4050字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 486 ・五年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

張峯鳴 (FM Chang) 一定很想知道,這篇訪問的 ROI (投資報酬率) 好不好?能不能真的幫上學弟妹?

身為跨國半導體大廠德州儀器 (Texas Instruments, 簡稱 TI) 產品測試部門經理,擔任管理職同時又具有 “Technical Ladder” 身份 (也就是德儀認定之技術專家) 的張峯鳴,看起來十分年輕,剛成為新手爸爸的他,研究所畢業後已經在德儀任職近八年,但採訪此刻看起來被認成大學生也不奇怪。在這泛科學一年一度的職涯專題中,我們邀請跟泛科學許多讀者背景相似的他來聊聊自己的求學經歷與職涯探索過程。

從研究所畢業後便加入德州儀器的張峯鳴 (FM Chang) 現為德州儀器 Tech Ladder 技術專家

理科集大成:太空人的夢、會計師的腦、物理人的心

「說來有點好笑,我小時候很想當太空人。」張峯鳴還記得上小學前最初的職涯想像。他說,除了覺得太空人穿著「機械感」十足,很帥以外,印象中小時候常常從電視新聞上注意到跟宇宙天文相關的消息。

「媽媽可能還在幫我擦鼻涕,爸爸看的電視新聞裡大多都是政治人物吵來吵去,但只要有類似哈伯望遠鏡發現了什麼什麼的消息,我就覺得感興趣,認為自己聽得懂。」他說。

到了國中,媽媽送他去參加成功大學的航太營,由航太系學生帶領,接觸各類機械、構造。僅管其他學員年紀比他大,有點邊緣的他還是覺得「超好玩」。他說在營隊裡,能將學校教的牛頓力學實作展現,各種水火箭炫技玩法讓他不亦樂乎,大學生哥哥姊姊們示範的高空落「蛋」,也讓他躍躍欲試。

儘管高中時對天文太空依舊興趣滿滿,他說「可能是 ROI 的概念在我心中萌芽了,就越來越實際了。」他很清楚自己對理工科感興趣,但也納悶:熱門的志願怎麼都沒有航太、天文?他發現相關的知識領域在物理系裡都有,所以升大學填志願時選了多所大學的物理系,最後則在熱門跟理想志願之間折衷,成為清大動力機械工程學系的新生。

峯鳴在德州儀器輪調期間,把握機會體驗美國當地風情,增廣見聞。圖為他與同事一起至野外露營過夜。

為何不選出路看似更明確的電機系?其實原本是三類組的他,家裡長輩也曾勸他選醫科,但他很有主見,想把物理學好,他記得高中時心裡想:「難道唸電機未來就是修手機、念機械就是修車嗎?還是不要先決定修什麼好了,先念物理!」

上大學後,張峯鳴視野大開,認識的人一下子多了起來。同學關心的事情不只是學業、還關心環境議題、社會服務等,享受且渴望新刺激的他,便找機會出國交換。到美國密西根州立大學那段時間,更讓他看到台美兩地學習方式的差異。

「他們看待跟處理事情的方式跟台灣很不一樣。他們很歡迎多元人才,所以入學不難,但淘汰不夠格的人卻毫不手軟。」他表示當時他同時選修開給大一到大四的課程,在大一生比較多的課堂上,不少人有來玩玩的感覺,功課討論起來愛做不做;但到了大四為主的課程就超精實,剩下的每個人都很清楚自己要什麼、都想在專業領域上有好成績。「感覺他們在大學每一年越來越強。有種修煉的感覺。」

比較之下,他覺得在台灣念大學,最難的是「考進大學」,很多人有上大學之後被當也沒關係的想法。而在美國不管是不是基礎課程,實作都很多。「會讓你每天都很忙,但很有收穫,所以回台灣之後我就選修這樣的課。」

最划算的選擇:如何出國學經驗、練英文、又不花錢?

基於出國交換時的深刻體驗,他本來打算出國讀研究所,也趁機玩一遭,但這想法被自己推翻。他是個在決策前總是會做好一番分析的人,不管是該不該出國讀研究所、或是要不要接受一次採訪。考慮家境與對未來理想人生的想像後,他認為在台灣唸研究所更省時間跟成本,以後想出國玩還有機會。

在台大唸電機研究所時,他參加了校內的就業博覽會,在德州儀器的攤位上,得知這家公司有 New College Graduates 科技菁英培訓計畫,雙眼為之一亮!這是德儀為剛畢業的學士或碩士,或是工作未滿一年的職場新鮮人量身打造的培訓計畫,為期 18-24 個月,涵括七大面向,從產品技術、專案管理、影響力建立、公司文化、處理訂單、報價交貨,到向高階技術主管、各國主管直接學習,並獲得回饋。此外,還能輪調到世界各地,一邊練英文、增加國外經驗,又不花自己的時間跟金錢。這完全擊中了張峯鳴的甜蜜點,於是畢業後就立刻加入德儀。

峯鳴於美國總部晶圓廠輪調時,與同事一同打球運動,透過團體活動積極拓展人脈。

「當然啦,還是有很多工作要做。」很在乎名實相符的他,雖然受「菁英輪調計畫」吸引加入公司,但也坦言當初蠻不喜歡這計畫的名稱,畢竟當時覺得自己很嫩,不想被戴高帽子,但他後來卻紮實地透過這計畫讓自己成為名實相符的菁英。他每年輪調,接受不同訓練,從測試、品管到美國總部晶圓廠服務,逐步增進對公司與全產業的了解,提高了跨部門合作的能力。2015 年,德儀決定進入高壓電 IC 市場,張峯鳴扛起重任,從無到有,將台灣生產線建立起來,過程中與美國同仁合作開發技術,極為傑出的表現,更讓他受遴選成為公司認可的技術專家 Technical Ladder 一員。

Technical Ladder 直譯為「技術階梯」,其實是德儀為研發人員設計的升遷制度。Technical Ladder 分三層,在不同的層級有不同的競爭。因有比例限制,各廠要派出高手去跟他廠比賽,才能獲得此高榮譽職銜,並獲得薪資加給跟專業認可。「在這裡工作,大家都有企圖心,但不是每個人都適合領導或都有朝管理職發展的想法,因此可以朝技術專家的方向走,薪資跟職位一樣可以繼續提升,不會因為非管理職就停留在原本的位置。」儘管如此,張峯鳴卻身兼 Technical Ladder 一員與部門經理,可見他自己設定的階梯更具挑戰性。「能力跟國際觀的培養真的很扎實。loading 雖然重,但成就感也很強。」他說。

雖然隨著工作年資增加,大學跟研究所時學的專業技術能用上的頻率越來越少,但科學思維卻潛移默化成他的處事邏輯;他十分感謝大學階段時遇見的清大王訓忠教授,讓他在上工程數學跟流體力學時收穫滿滿,更讓他愛上應用理論解決真實問題。「今天遇到一個問題,我會用流體的特性、機械熱應力的狀況去推測,更快找到解決方向。另外,在管理以及跟同仁相處時,我也常從生物跟生態學思考,如何讓大家能各取所需,讓每個人待在適合的區位,他們也比較有安全感。」他說。

科技一點也不難:在德州儀器,溝通和多元並進

許多人無法跟領域外的人「科普」自己的工作在幹嘛,包括對自己的爸媽。張峯鳴對此倒不覺得難,他說:「德州儀器就是做 IC,做得非常非常小,放在手機裡、車子裡、冷氣裡。像是你手機的放電跟充電就有一個 IC 在控制,電快沒了進入省電模式就要放少一點。」他補充,德儀人有一種共同特質,就是想讓人聽懂生冷的技術,而出現此般特質背後有兩個原因,第一是因為德儀規模大,座落在很多國家。第二,他認為,則是因為公司積極倡導合作精神,常需要跨部門合作,溝通成日常工作必備,更需要與財務部、採購部門等非科技背景、非技術部門的同事溝通,若「不講人話」絕對走不通。

身為籃球迷的峯鳴,透過對籃球的共同熱愛,與外國好友交流,一同前往籃球殿堂–NBA!

許多公司隨著組織擴大,無可避免地染上大組織病,使得創新點子如死水停滯、溝通上下前後到處卡,德儀為了避免這樣的問題,全力倡導分享精神,更希望用組織規模來提高效率。張峯鳴說德儀鼓勵 “Innovate once, Implement everywhere” (一處創新、處處運用):例如在台灣做了嘗試,發現省了成本、增加效率,就要提供方法給其他國家的廠來複製,所以生產端很重視分享知識的方式。此外,「公司內部有論壇,好想法丟出去,就會有人接球。雖然上司在看但不會有壓力,他反而會對你的活躍表現讚譽有加。」

而身為有點典型的理工男,他認為在德儀的女性工程師專業表現不亞於男性,推動團隊往目標前進的能力卻更強,例如當部門間合作比較不順時,女性工程師往往能讓事情破冰。他也發現育嬰留停回來之後的女同事,做事變得更有效率,判斷更準確。「可能是因為家庭讓他們時間控管得更緊。重要的是,其他同事都願意配合。」現實生活中剛成為新手爸爸的他認為:「假若我是新手媽媽,我會繼續工作,至少在德州儀器,大家尊重性別之間的差異,也享受多元帶來的優勢。」

致年輕的自己:多實習,然後不要著急

雖然職涯順利開展,在工作裡獲得高成就感,但如果能夠回到過去,張峯鳴還是有些想修正之處。

他說:「推甄上研究所之後,覺得從小到大一直念書念下來好累,所以那時就保留學籍先當兵,退伍後大腦彷彿掏空,覺得知識好寶貴、很渴望學習。」不過,雖然他對這決定(先去當兵)蠻滿意的,他現在覺得應該要暫停更久一點,先去業界工作個幾年,這樣會更知道自己需要、欠缺什麼,更善加利用研究所的兩年。另外,對做任何事的成本跟效率非常認真看待的他,也強烈建議大學生多到業界實習,他說:「短短兩個月就能夠知道自己以後是不是要花十年在這裡面,非常划算。多去實習,對跨出職場的第一步更有信心。」

從大學時就參與公益活動、注重環保的峯鳴,在 TI 亦一同參與食物銀行,包米送暖。

他代表過公司到大學招募實習生,他認為一來到德儀實習薪資不錯,二來能會接觸到正職的工作。更重要的是,由於各部門同時招收,同一批實習生會一起籌辦活動,例如計畫結束後的發表會,彼此會很熟悉,這樣一來能認識很多來自不同領域、但都很有熱情的人才,而且德儀若評估是需要的人才,就會直接發 offer,對公司來說也能降低雇用錯人的成本。「真是蠻超值的。」然而,他也強調來申請實習前,要清楚自己的目標,而不是「來看看」。

在訪問結束前,他最後想給現在正在思索職涯的學弟妹一個關鍵建議:「不要急。」

他感同身受地說,看到身邊的人上了什麼研究所、或是拿到了哪間公司 offer,可能會逼自己要趕快往某條路鑽,但其實可以給自己一些時間,好好想自己想做什麼。「不要像在台北車站下了捷運被人群擠著前進到錯誤的出口。」雖然他在這次訪談中給了許多誠懇的建議,但他更希望學弟妹能自己想清楚,這最重要。

既然那麼重視 ROI 的他都這樣說了,肯定是很重要的建議。你說是嗎?


本文由德州儀器與泛科技共同企劃

文章難易度
鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 755 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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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

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。

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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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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半導體以前的半導體:從礦石收音機到電晶體——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/21 ・3430字 ・閱讀時間約 7 分鐘

從礦石收音機到電晶體

直到 1947 年末,美國發明電晶體後,人類才正式開始使用半導體。不過在這之前,人類已經在使用類似半導體的東西,礦石檢波器就是其中的代表。

日本從 1925 年開始放送廣播,最早的收音機使用的是礦石檢波器。檢波器是一種可以接收電波,並從中提取出聲音與音樂等資訊訊號的元件。使用天然存在之礦石製作出來的檢波器,就叫做礦石檢波器。

礦石檢波器。圖/東販

圖 1-1 是礦石檢波器的原理。檢波器的構造是以金屬製的針碰觸著方鉛礦這種特殊礦石(圖 1-1(a))。

電流容易從金屬針流向礦石,卻很難從礦石流向金屬針(圖 1-1(b))。這種特殊的性質稱為整流性,也是半導體的特性。

對於擁有整流性的物質來說,容易讓電流通過的方向稱為順向,不容易讓電流通過的方向則稱為逆向

換言之,順向的電阻較低,逆向的電阻較高。之後會說明理由,總之有這種特性的元件,可用於製作檢波器。而順向與逆向的電阻比值愈大,可以製成愈靈敏的礦石檢波器。

礦石檢波器的原料是天然礦石,所以品質並不固定。針的接觸位置不同時,靈敏度也不一樣。所以製作礦石檢波器時,必須試著尋找能夠使針的敏感度達到最佳的特定位置。雖然品質不穩定,但製作簡便又便宜,也不用消耗電力,所以早期的收音機常會使用礦石檢波器。

當時的收音機少年也熱中於用礦石檢波器,自己動手製作礦石收音機。以前筆者(井上)年紀還小的時候,就曾自己製作礦石收音機。調整好礦石檢波器後,就可以清楚聽到廣播電台的聲音,讓人相當興奮。為了盡可能提高接收電波時的靈敏度,我當時也下了不少工夫。

這裡就來簡單說明用檢波器,從電波中提取出資訊訊號的原理吧。

訊號的接收與提取

接收無線電波訊號。圖/東販

如圖 1-2 所示,欲以無線電波傳送聲音、音樂等頻率較低的波時,需先將其轉變成頻率較高的波才行。

這個操作稱為調變。圖中,以調變器混合資訊訊號波(同圖①)與頻率較高的載波(同圖②)後,可以得到同圖③般的波,然後再發送這種無線電波(同圖④)。

檢波器接收到這種無線電波(同圖⑤)後,由於只會讓正向的調變波通過,故可得到同圖⑥般的波。這種波含有頻率較低的訊號波與頻率較高的載波,所以需再通過低通濾波器(只讓低頻率的波通過的濾波器),抽取出訊號波(同圖⑦)。

在真空管收音機盛行起來之後,人們便不再使用礦石檢波器。不過,在第二次世界大戰時,礦石檢波器又起死回生。使用礦石檢波器的雷達,在第二次世界大戰相當活躍。

雷達的原理。圖/東販

雷達如圖 1-3 所示,可透過指向性高的天線,朝特定對象發射高頻率電波脈衝,再接收由該對象反射回來的電波,並計算時間差,以測量出與該對象的距離與方向。之所以要使用高頻率電波,是因為頻率愈高,愈能正確識別出細小的物體。

這種雷達使用的無線電波叫做微波,頻率在 3GHz~10GHz 左右。若要用真空管檢波器,從頻率那麼高的無線電波中檢出訊號,必須使用體積很大、電容量很大的真空管才行,所以真空管不適用於高頻率的檢波器。

重出江湖的礦石檢波器

此時就輪到礦石檢波器重出江湖了。使用礦石檢波器時,針與礦石只要有一個接觸點就行了,電容量很小,在高頻率時也能正常運作。

如前所述,礦石檢波器的運作並不穩定,無法直接用於戰爭。於是歐美國家便紛紛投入研發性能更好、能夠取代礦石檢波器的新型檢波器,最後得到的就是矽晶(半導體)與鎢針的組合。

矽晶是由人工製成的均質結晶,所以不需要像使用礦石時那樣,用金屬針尋找、調整最佳的接觸位置。

而且,隨著雷達矽檢波器的研究持續發展,科學家們也發現了矽晶是相當典型的半導體。

為了提高結晶的純度,矽晶的精製技術也跟著進步,這和戰後電晶體的發明也有一定關聯。而且,因為製造出高性能的檢波器,所以人們也開始使用像是微波這類過去幾乎不用的高頻率無線電波。相關技術在戰後開放給民間使用,於是電視與微波通訊也開始使用這些無線電波。

雖然我並沒有要肯定戰爭行為,但戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。

戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。圖/pexels

半導體就是這種東西—溫度與雜質可提高電導率

接著就讓我們進一步說明,半導體究竟是什麼東西吧。

所有物質大致上可依導電性質分為兩類,分別是可導電的「導體」,以及不能導電的「絕緣體」。

導體的電阻較低,電流容易通過,譬如金、銀、銅等金屬皆屬於導體。另一方面,絕緣體的電阻較高,電流難以通過,橡膠、玻璃、瓷器皆屬於絕緣體。

我們可以用電阻率 ρ(rho:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電阻率的單位是〔Ω・m〕,電阻率愈大,電阻就愈大。

導體、半導體、絕緣體的分類。圖/東販

如圖 1-4 所示,雖然沒有明確的定義,不過導體指的通常是電阻率在 10-6Ω・m 以下的物質,絕緣體指的則是電阻率在 107Ω・m 以上的物質。

相對於電阻率,有時會用電導率 σ(sigma:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電導率為電阻率的倒數(σ=1∕ρ),單位為〔Ω-1・m-1〕。與電阻率相反,電導率愈大,電阻就愈小。

相對於此,半導體如名所示,性質介於導體與絕緣體之間;電阻率也介於導體及絕緣體之間,即 10-6〜107Ω・m。代表性的半導體如矽(Si)與鍺(Ge)。

半導體的特徵不僅在於電阻率的大小,更有趣的是,隨著溫度與微量雜質濃度的不同,半導體的電阻率數值也會有很大的變化。圖 1-5 為溫度對半導體電阻率的影響示意圖。圖中縱軸寫的是電導率 σ,但要注意的是,縱軸的 σ 值其實是對數尺度。

溫度對半導體電阻率的影響。圖/東販

由這個圖可以看出,一般而言,隨著溫度的上升,金屬的電導率會下降(電阻率上升);但半導體則相反,在 200℃ 以下的範圍內,溫度上升時,半導體的電導率會跟著上升(電阻率下降)。

1839 年,法拉第在硫化銀 Ag2S 上首次發現了這種隨著溫度的上升,電導率會跟著上升的奇妙現象。雖然他不知道為何會如此,不過,這確實是人類首次發現半導體性質的例子。

電流是電子的流動,所以電導率提升,就代表半導體內的電子數變多了。電子原本被半導體原子的+電荷束縛著,無法自由移動。不過當溫度上升,獲得熱能後,電子就能脫離原子的束縛自由移動了。

這種能自由移動的電子(自由電子)數目增加後,會變得較容易導電,電導率跟著上升。這就是半導體的一大特徵。

高純度的半導體結晶在室溫下熱能不足,幾乎不存在自由電子,所以可視為絕緣體。

不過,如果在半導體結晶內添加極微量的特定元素雜質(Ge 與 Si 以外的某些元素),便可大幅降低電流通過半導體的難度。這也是半導體的一大特徵(詳情將在 1-5 節中說明)。

半導體的自由電子,也可以透過光能觸發。

英國的史密斯於 1873 年時發現了這種現象。他用光照射擁有半導體性質的硒(Se)時,發現硒的電阻變小了(內光電效應)。

1907 年,英國的朗德對碳化矽(SiC)結晶施加電壓賦予能量時,發現結晶會發光。這種能讓光與電能互相變換的特性,也是半導體的特徵。

——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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