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谁将成为下一代领导者?晶圆代工厂商竞合策略解读

2017-05-02 11:13
龙凰
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晶圆代工争霸战 第一篇:半导体知识(前传)

(这一部分为基础知识,可以跳过)

现代科技不断革新,网路平台与云端运算背后,仰赖著上千台电脑伺服器相互连结;智慧型手机除了能登录网页与多样化的应用程式,未来更能支援扩增实境 (AR)、3D影像、支付等功能;除此之外还有感测元件、智慧家庭、穿戴式装置、自动车…

从电子商务、金融到医疗、法务,所有产业正面临著大规模的剧变。科技的浪潮提供更便利的社会,为人类生活带来了无限的可能;支撑这一切发展的基石,就是“半导体”。

在全球经济体中,半导体相关产业每年带来的经济效益约是 7 兆美元;而在2012年,台湾半导体总产值突破 2 兆台币,跃居世界第 2 位、成为最大的产业群,就业人次高达18万。

时常在报章杂志上听到半导体、晶圆、IC、纳米制程等名词,却又不甚了解意思?作为现代人,不可不知半导体。

本系列的 IC 产业地图,将以半导体相关知识作为系列首篇,介绍“晶圆代工”相关名词与各国间产业现况。并讨论各大厂间的竞合关系。

什么是半导体?

半导体是导电性介于导体(金属)与绝缘体(陶瓷、石头)之间的物质,包括硅、锗。

利用半导体製作电子元件的目的在于:不像导体绝对导电、绝缘体完全不导电;藉由注入杂质,可以精准地调整半导体的导电性。由于硅拥有较大的能隙、可以有较大杂质掺杂范围,所以可以被利用来製作重要的半导体电子元件电晶体 (Transistor)。

由于发明了电晶体,这个年代成为人类科技文明进步最快的年代,电子技术与电脑工业才开始了长足的发展,堪称二十世纪最伟大的发明之一。

发明电晶体的萧克利 (Shockley)、巴丁 (Bardeen) 与布拉顿 (Brattain) 三位物理学家在1956年共同荣获诺贝尔奖。

1956年,萧克利在旧金山南方成立萧克利半导体实验室 (Shockley Semiconductor Lab),带动美国硅谷 (Silicon Valley) 的蓬勃发展,硅谷一名称系由半导体原料硅而来。

讲到硅谷的发展成因与历史,绝对不能不提萧克利半导体实验室的影响。一个天才的创业会引来众多天才的投奔,因此当时一堆优秀人才趋之若鹜地跑到萧克利的实验室来;但后来因萧克利暴躁又疑神疑鬼的性格,又纷纷辞职离去,被萧克利怒称为“八叛徒”(The Traitorous Eight)。

八位叛徒中,包括了诺伊斯 (Noyce)、摩尔 (Moore,就是摩尔定律的那个摩尔!) 等人,他们随后成立了快捷半导体 (Fairchild Semiconductor),成为了第一家将硅电晶体商业化的公司。

这家公司最重要不是它的产品、而是影响力——快捷可说是硅谷人才的摇篮,创始人和员工出来开的公司和投资的公司在湾区超过 130家上市企业,里面包括了 Intel、AMD 等公司,市值达 21 万亿美元。对硅谷乃至当今时代的科技发展都有著不可或缺的影响和作用。

好啦此为后话不提,让我们回来看看硅谷发展一切的源头——电晶体到底是什么。

电晶体的主要功能有两个:“放大信号”与“开关”。

电晶体就像是数位讯号的“收音机”──收音机的原理是将微弱的讯号放大、用喇叭发声出来,电晶体能将讯号的电流放大;而数位讯号是由0与1组成,1代表著电流“开”、0代表著电流“关”,电晶体以每秒超过 1千亿次的开关来运作,让电流以特定方式通过。

这边让我们来简单谈谈电晶体的运作原理。

电晶体由硅组成,而硅是 4 颗电子。在硅半导体中加入元素磷,具有 5 颗电子、比硅多一颗电子(-)变成 N 型电晶体 (Negative)。

另外加入元素硼,具有 3 颗电子、 比硅少一颗电子(-)变成 P 型电晶体 (Positive) 。电晶体两端可以通电,称为“源极”和“汲极”。

由于P型和N型分别多了电子和少了电子,所以电晶体在 N 型和 P 型接起来的状态下电子不会流通,此时电流开关为“关”。

为了达到开关的效果,我们使用第三个电极“闸极”(Gate) 取代机械按钮开关;闸极间以氧化层和半导体隔绝。若我们在闸极上方施以正电电压,让 N 型多出来的电子能够重新流通、并从源极流到汲极,此时电流开关为“开”。

上述即为半导体元件电晶体如何藉由加入杂质(磷、硼)来控制导电性、进而控制电流开关的原理。

但是这数亿个电晶体在哪裡呢?你可能正在心想:“我手机有大到能放进数亿个电晶体?”

答案是:电晶体是纳米等级,比人体细胞还要小。三星以及台积电在先进半导体製程的 14 纳米与 16 纳米之争,14 纳米指的就是电晶体电流通道的宽度。宽度越窄、耗电量越低;然而原子的大小约为 0.1 纳米,14 纳米的通道仅能供一百多颗原子通过。故製作过程中只要有一颗原子缺陷、或者出现一丝杂质,就会影响产品的良率。

对于半导体大厂而言,製程是技术,但良率才是其中的关键Know-how。一般能将良率维持在八成左右已经是非常困难的事情了,台积电与联电的製程良率可以达到九成五以上,可见台湾晶圆代工的技术水平。

事实上,这数亿个电晶体,全部都塞在一个长宽约半公分、指甲大小的晶片上。这片晶片包含电晶体等电子元件,就叫做“集成电路”(Integrated Circuit, IC),俗称IC。

所谓的大规模集成电路 (LSI, Large Scale Integration) 代表的不是这个电路板很大,而是上面约一万个电晶体;超大规模集成电路 (VLSI, Very Large Scale Integration) 则约有十万个电晶体。

集成电路是怎么制作出来的呢?

在集成电路出现之前,工业界必须各自生产电晶体、二极体、电阻、电容等电子元件,再把所有元件连接起来做成电路,不但複杂又耗时费工。故若能直接依照设计图做出一整个电路板,将能更加精确、速度更快且成本更低。

德州仪器公司的基尔比 (Jack St. Clair Kilby) 是第一个想到要把元件放到晶片上集体化的发明人,在1958年他试验成功,开辟了一个崭新的电脑技术时代,甚至很多学者认为由集成电路所带来的数位革命是人类历史中最重要的事件。基尔比也因此于2000年获得诺贝尔物理奖。

集成电路的制作过程分为以下步骤。

一。 建筑设计: IC设计 (CIRCUIT DESIGN)

如同在盖房子之前,建筑设计师必须画出设计图,规划房间分布、使用材料;在制作半导体晶片时,工程师会画出电路图 (Circuit Diagram),规划一个晶片上应该要具备的功能 (包括算术逻辑、记忆功能、 浮点运算、 数据传输)、各个功能分布在晶片上的区域,与制作所需的电子元件。

接下来,工程师会使用硬体描述语言 (HDL) 将电路图描写出来。

待确认无误后再将 HDL 程式码放入电子设计自动化工具 (EDA tool),让电脑将程式码转换成电路图。

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