半導體

科創講堂
巨量資料之於半導體製造:儲存及計算平台開發、維運、及人才養成

巨量資料之於半導體製造:儲存及計算平台開發、維運、及人才養成

巨量資料之於半導體製造:儲存及計算平台開發、維運、及人才養成
講者/蕭宏章(成大資工系教授)│彙整/《科學人》編輯團隊
轉載自2018.01.14〈科創講堂.ICT資通訊科技〉

西元2000年左右,大家就在說晶片時脈上不去,晶片裡面可以裝的半導體數目則越來越多。另一方面,CPU裡面RAM的存取速度呈指數成長,但磁碟的存取速度上不去。就資料來說,數量一直增加,明年的資料量是今年的K倍,後年則是今年的K2倍,十年後來看,現在的資料量只有一點點。

導帶

導帶 (Conduction Band)
國立臺灣大學化學系 葉德緯

我們對於金屬材料的認識,最廣為人知的模型就是金屬原子間由金屬鍵 (metallic bond) 所形成的電子海 (electron sea) 模型了。電子海模型對金屬材料的導電性有不錯的解釋,不過若要對於金屬材料內部的電子能量分佈有更多的描寫,以及對於非導體材料例如半導體、絕緣體等有更好的解釋,通常都會引入能帶理論 (band theory)。

能隙

能隙 (Energy Gap)
國立臺灣大學物理學系 洪豪謙

能隙的概念是從能帶理論 (Band theory) 中發展的,這是二十世紀初量子力學確立以後,所發展的一套理論,迄今運用這個理論最廣泛的領域是半導體元件。

我們知道單電子的氫原子模型中,因為量子效應,造成電子的能階是不連續的,從一個能階跳到另外一個能階的吸收或是放出的能量必須是固定的,示意如圖一 (a)。

半導體能帶與能隙

半導體 (Semiconductor) 能帶與能隙
高雄市立高雄女子高級中學物理科蔡宗賢老師/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

能帶結構與能隙

首先從單一原子開始,原子有分立的能階,當二個原子靠近時,每個能階分裂成一個上部和一個下部的階層,使得電子離開原來能階的位置。有更多的原子靠近形成固體時,階層的數量就會增加,因而形成能帶。

半導體包含許多能帶。最高的已佔滿電子的能階和最低空著電子的能階之間,形成一個大的能量差異,然後在能帶形成以後,已佔用的能帶和空著的能帶之間很可能會形成一個能隙。

摩爾定律

摩爾定律 (Moore’s Law)
臺中縣立新社高級中學物理物理科陳俊清教師/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

當初由半導體專家 Gordon E. Moore 提出的摩爾定律,這個理論預言了電腦爆炸性的發展,歷經四十多年的考驗,依然屹立不搖,也壓迫著成千上萬科學園區的工程師要絞盡腦汁讓這個理論繼續為真,為客戶提供體積更小、速度更快、功能更強大的電子產品、也為公司創造更大的商業利益。這項被稱為摩爾定律的預測法則,促使現代科技產品普遍推廣至世界每個角落,如今更成為科技快速變遷的代名詞。

III-V族化合物半導體在光電元件中的應用

III-V族化合物半導體在光電元件中的應用
國立彰化師範大學光電科技研究所林祐仲教授/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

III-V族化合物半導體絕大部分屬於直接能隙半導體,不同於間接能隙之矽半導體。所謂直接能隙半導體則指電子從導帶底部掉落至價帶頂端,只產生能量的變化,此能量大約等於導帶底部與價帶頂端之能量差稱為該半導體之能隙,然而間接能隙半導體則指電子從導帶底部掉落至價帶頂端時,除能量的變化外,還包括晶體動量的改變,兩者之簡易能帶架構顯示於圖一。

發光二極體-歷史 〈LED-History〉

發光二極體-歷史 〈LED-History〉
高雄市立高雄高級中學三年級徐維澤/高雄市立高雄高級中學物理科盧政良老師修改/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

歷史 History
發現與發展 Discovery and development

二十世紀早期, Marconi實驗室的Henry Round首先注意到,半導體的接點可以發光。在1920年代中期,俄國的Oleg Vladimirovich Losev 獨立的發明的第一個發光二極體(LED),他的研究,即使廣佈於英國、德國、俄國的科學期刊,卻被忽視。1955年,美國無線電公司(the Radio Corporation of America)的Rubin Braunstein 指出砷化鎵 (GaAs)以及其他半導體合金能放出紅外線。1961年,德州儀器的實驗家 Bob Biard 以及 Gary Pittman發現砷化鎵 (GaAs),在施以電子流時,會釋放紅外光輻射。Biard和Pittman在成果上取得優先並取得紅外線LED的專利。1962年,通用電氣公司 (General Electric Company)而之後再依利諾大學香檳分校(the University of Illinois at Urbana-Champaign)的Nick Holonyak Jr. 開發出第一種實際應用的可見光LED,並且被視為「發光二極體之父」;而Holonyak的前研究生M. George Craford於1972年發明了第一個黃光的LED而且亮度是紅色或橘紅色LED的10倍。

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