快充怎麼做到又小又快？ 半導體材料氮化鎵，突破工作頻率極限

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。

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。

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。

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。

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。

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］

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。

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。

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。

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。

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（V_th，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。

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，V_th01＞V_th00＞V_th10＞V_th11，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 V_th 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

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）。

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。

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）。

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。

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。

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。