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。
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
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。
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。
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。
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。
