半導體是什麼？為什麼叫「半」導體？

半導體是一種導電能力介於「導體」和「絕緣體」之間的材料，最常用的是矽。「半」說的就是這個「中間」：它不像金屬那麼會導電，也不像玻璃、塑膠那樣幾乎不導電。不過讓它這麼重要的，不是「導一半」，而是它導不導電，可以由人來決定。手機、電腦裡的晶片，就是靠這一點做出來的。

導體、絕緣體、半導體，差在哪？

把電想成水管裡的水：

• 導體像一條一直開著的水管，電一推就流過去。電線裡的銅就是導體。
• 絕緣體像一條堵死的水管，怎麼推都過不去。電線外面的塑膠、玻璃、陶瓷，都是絕緣體。
• 半導體像一條裝了閘門的水管。閘門平常幾乎是關著的，只漏一點點；可是它打得開，開多大也調得了。

水管裡流的「水」，其實是電子。金屬裡有一大堆能自由跑的電子，一推就動。絕緣體裡的電子都被原子緊緊抓住，跑不動。純的半導體在中間：大部分電子被抓著，只有很少數跑得動。

那為什麼叫「半」導體？

名字是照導電的能力取的：英文 semiconductor 的 semi 是「一半、部分」，說的是導電能力落在導體和絕緣體中間。所以「半」不是導電導一半，也不是一半時間通、一半時間斷。真正有用的，是那道閘門開在哪裡、開多大，都能由人決定。

最常用的半導體是矽，為什麼？

矽是一種元素，在地殼裡的含量排第二，僅次於氧。沙子、石英的主要成分二氧化矽，就是矽和氧組成的。做晶片選矽，主要因為：

• 原料多：含矽的礦物到處都是。
• 自己長得出好的絕緣層：矽在高溫下碰到氧，表面會長出一層很均勻的二氧化矽，是很好的絕緣體。晶片裡到處需要「這裡導電、旁邊不導電」，矽在爐管裡就能長出這一層，這是它最大的優點之一。
• 熱一點也撐得住：最早的電晶體是用另一種半導體「鍺」做的。鍺溫度一高就容易漏電，表面的氧化層也不穩，後來就被矽取代了。
• 長得成又大又整齊的單晶：原子排得整整齊齊的矽，可以長成一大根，再切成晶圓（晶圓為什麼是圓的？）。

摻雜：加一點點別的原子，導電就完全不一樣

做晶片的矽要先純化到非常純，金屬雜質要少到十億分之一這種等級。然後，再故意加進一點點特定的原子。這一步叫摻雜。

加的量非常少：少的時候，大約一億個矽原子才放一個；多的時候，大約一萬個裡放一個，有些地方還更多。可是就這麼一點點，導電能力就能變成純矽的幾千倍、上萬倍，加得多的甚至超過百萬倍。

為什麼差這麼多？用「手」來想。每個矽原子有四隻「手」（最外層的四個電子），各牽住旁邊一個矽原子，排成整整齊齊的格子。手都牽著，電子就跑不動，所以純矽不太導電。

• 加磷，變成 n 型：磷有五隻手，取代一個矽原子、牽好四個鄰居之後，還多出一隻。多出來的那個電子沒人牽，就能到處跑。跑的是帶負電的電子，「負」的英文是 negative，所以叫 n 型。砷也有五隻手，效果一樣。
• 加硼，變成 p 型：硼只有三隻手，總有一個鄰居的手沒人牽，留下一個空位（課本叫它「電洞」）。旁邊的電子跳過來補，空位就換到別處，像一排座位只空一格，大家往旁邊挪，空位就一路移動。少一個電子的空位，表現得像一個正電，「正」是 positive，所以叫 p 型。

整塊矽並沒有帶電，n、p 說的只是跑的是電子還是空位。一句話：加哪一種原子，決定是 n 型還是 p 型；加多少，決定它多會導電。

晶圓廠怎麼把原子加進去？

現在大多用離子植入：把硼、磷這類原子變成帶電的離子，用電場加速，直接打進矽裡。打進去的數量決定導電多好，速度決定打多深。

不想打的地方，先用光阻蓋住；光阻上的圖案是黃光印的，所以哪一小塊是 n 型、哪一小塊是 p 型，可以畫得非常精準。打完還要加熱一次（退火），把撞亂的排列修好，原子才會就定位、開始導電。打錯的原子拿不出來，所以這一步最怕用錯設定。

能控制導不導電，為什麼這麼重要？

導體永遠是通的，絕緣體永遠是斷的，都當不了開關。半導體可以這一小塊通、那一小塊不通，而且用電就能切換。

把 n 型和 p 型的小區塊排在一起、再加一個控制用的電極，就做成了電晶體：一個用電控制的小開關，電極上的電壓一變，它就在通和斷之間切換，通了是 1、斷了是 0（怎麼做到的，可以讀「電晶體是什麼？」）。

在電晶體之前，電子開關用的是真空管：像小燈泡那麼大，很燙，還會燒壞。半導體做的開關又小又省電，一秒能切換上億次。一顆晶片上，可以放上億、甚至上百億個這種開關；手機拍照、算路線、跑 AI，最後都是它們在開開關關。

新聞上說的「半導體」，是在說什麼？

常常不是在說材料，而是指整個做晶片的產業：設計晶片、在晶圓廠做出來、再封裝測試，一路到交貨。簡單分：半導體是材料，也是這個產業的名字；晶片是用半導體做出來的東西。

在 fab24hr 裡

在 fab24hr，量產廠的植入區有一台離子植入機 IMP-01。當植入工程師（量產廠 › 製程 › 植入），你要看監控片的片電阻，確認打進去的量對不對；打完的批要排進爐管退火；晚班要把三批的配方一行一行核對：硼、磷、砷，能量和劑量。遊戲裡的公司、人物、機台編號、批號和數字都是虛構的；半導體是什麼、摻雜怎麼做，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。