半導體元件是絕大多數現代科技應用的大腦與心臟，不管是人工智慧(AI)、5G或物聯網，甚至是我們天天都會用到的手機、電視、PC及各種家電產品，都離不開半導體元件。因為半導體，台灣得以在全球科技供應鏈中扮演舉足輕重的角色，台灣的經濟跟產業發展，也跟半導體產業的榮枯，有著密不可分的關係。對於這樣一個重要的科技跟產業，您有多少了解呢？

Table of content

• 半導體是什麼？
• 半導體元件：IC的最小單位，有如半導體的「細胞」
• 常見的半導體材料
• 半導體產業的重要關鍵：半導體製程
• 半導體產業發展與台灣半導體的產業影響力
• 全球半導體設備及材料市場概況
• 半導體產業的ESG永續轉型

半導體(SEMICONDUCTOR)是什麼？

半導體已經深入你我的日常生活，從手機、電腦到各種家電，乃至我們看不到卻天天在用的雲端應用服務，都是以半導體元件作為核心。

半導體是一種具有特殊物理性質的材料，電導率介於導體和絕緣體之間，可藉由外部施加電壓來改變材料的導電能力。我們常見的半導體，在不施加外部電壓的情況下，是不導電的；若對材料施加電壓，原本不導電的材料會變成導電材料，讓電流得以通過。

半導體應用最早是環繞在「材料可以自由切換其導電與否」的特性發展出來的，多數現代電子產品的核心單元就是利用半導體的電導率變化來處理資訊。由半導體材料製成的積體電路(IC)，透過控制電流的通行或阻斷，在電腦中執行邏輯運算。

 

半導體元件：IC的最小單位，有如半導體的「細胞」

半導體是一種材料的總稱，半導體元件則是使用半導體材料製作出來的元件。那麼，半導體元件又有那些最基本的分類呢？答案是兩種：二極體(Diode)與電晶體(Transistor)。

半導體元件可以視為一種開關，而開關則可以進一步細分成「單向開關」跟「雙向開關」兩種。二極體跟電晶體之間最大的區別就在於：

• 二極體是單向開關，即便開關打開，也只有單一方向的電流可以通過；
• 電晶體則是雙向開關，只要開關打開，兩個方向的電流都可以流通。

因此，對於設計IC這類複雜電路的工程師而言，如何在電路裡面巧妙地對電晶體跟二極體進行排列組合，實現設計人員想要的功能，就是最基本的能力。

 

 

常見的半導體材料

1.元素半導體 - 矽(Si)

半導體材料種類繁多，我們最常聽到、應用也最普及的，是基於矽的半導體。矽是地球上隨處可見的元素，不僅容易取得且價格低廉。這使得矽在發展半導體技術初期便自然而然地成為主流材料，直到現在仍是最具商業應用影響力的半導體材料。

 

2. 化合物半導體(Compound Semiconductor)

由化合物構成的半導體材料，其中化合物通常由兩種以上元素的原子構成，依構成的元素不同，具備不同的材料特性。

2-1 砷化鎵(GaAs)：電子移動率比矽更快，具高頻特性，且耐高電壓、高溫。特別適合應用於需要極高開關速度的元件，例如射頻(RF)元件，在5G時代有極高的發揮空間。

2-2 氮化鎵(GaN) 、碳化矽(SiC)：這兩個寬能隙化合物半導體，都具有比矽更高的操作頻率，而且因為能隙更寬，可以耐受更高的電壓，所以在大功率傳輸應用方面被視為極具發展潛力的新秀，也因此在電動車爆紅之後，進入大眾視野成為熱門科技關鍵字。

 

半導體產業的重要關鍵：半導體製程

半導體製程或許是一般人最常聽到的半導體術語之一，尤其是製程節點(Process Node)，例如28奈米、7奈米等。但半導體製程一詞，其實涵蓋了製造IC的一整個流程、數百道加工步驟。

半導體製程步驟可以粗分成微影、蝕刻、沉積、摻雜與平坦化等實際在晶圓上製造出電路的製程步驟，以及穿插在這些步驟之間的清洗製程，統稱為前段製程。晶圓製作完成後，還需要經過切割、測試、封裝等後段步驟，才會變成我們所看到的晶片。

半導體製程-晶圓尺寸為成本關鍵

半導體製程中最花時間的就是前段製程。一張空白晶圓從投片到生產完畢，短則數十天，長則超過一百天。因此，一片晶圓上能製造的晶片數量越多，理論上生產效率就越高，成本也越便宜。

要在單一晶圓上生產更多晶片，有兩種方法。一是用更大尺寸的晶圓來生產，另一個則是把晶片尺寸做小，讓一片晶圓上可以塞進更多晶片。但前者會涉及到十分複雜的製程控制問題，設備投資也極其昂貴，因此在晶圓生產線進入12吋世代後，遲遲未能走向18吋世代。因此，製程微縮變成現階段提高晶片生產效率、降低成本的主要方式。把電路做得更細小，意味著晶片的尺寸也會跟著縮小，從而能在一片晶圓上生產出更多晶片。

半導體製程-先進製程與成熟製程的劃分

所謂的先進製程，就是指可以把電路做得更細小的製程技術。但隨著科技與時俱進，先進製程的定義也是不斷改變的。目前業界通常將10奈米以下視為先進製程，10奈米以上則稱為成熟製程。

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半導體產業發展與台灣半導體的產業影響力

電晶體及積體電路發明

半導體產業的誕生與茁壯，跟電晶體及積體電路的發明，有密不可分的關係。1947年貝爾實驗室製造出人類第一顆電晶體，讓收音機、計算機等電子產品的微型化成為可能。在這個基礎之上，德州儀器(TI)的基爾比(Jack Kilby)與快捷半導體公司(Fairchild)的諾伊斯(Robert Noyce)各自發展出將電晶體等電子元件整合成單一裝置的IC製造方法，決定了今天積體電路的樣貌。

摩爾定律

1968 年， 諾伊斯與摩爾(Gordon Moore)等人共同創立英特爾，這家以IC設計、製造為核心業務的公司，迅速發展成微處理器的霸主。其後，摩爾在英特爾產品的演進過程中觀察到，由於製程微縮的緣故，晶片上整合的電晶體數量，每隔18~24個月就會增加一倍。這個觀察發現，後來成為引領半導體產業發展數十年的「摩爾定律」。

如今，為了滿足多樣化的運算需求，現代的微處理器已經走上分歧發展的道路。除了泛用性最高的CPU之外，還有專門用來處理圖形運算的GPU、執行數位訊號處理的DSP等專門為了執行特定任務而設計的微處理器。
 

晶圓代工模式誕生-台灣積體電路製造公司(台積電)

晶圓代工模式的誕生，是半導體產業發展上的另一個重要轉折。1986年，為培植台灣本地的半導體產業，政府決定由工研院主導，與荷蘭飛利浦共同成立一家專門從事半導體製造的公司，並交由時任工研院院長的張忠謀負責。這家公司就是如今叱吒全球半導體製造市場的台積電。

台灣擁有最完整的半導體產業聚落

台積電的誕生，標誌著半導體的設計跟製造可以分割開來，實現專業分工。半導體產業的進入門檻，也因為IC設計模式的出現而降低，讓半導體產業能進一步蓬勃發展。而在台積電的示範下，不僅製造端，下游的封裝測試很快也走向專業分工的道路，並且在台灣形成完整的產業聚落。如今，在台灣這片3.6萬平方公里的小小土地上，已匯集了設備、材料、晶圓製造、封裝測試與IC設計產業，成為世界上密集度最高，運作最具效率的半導體產業族群所在地。

專業分工是目前半導體產業的主流方向。因為專業分工，每家廠商可以集中所有資源，把自己選定的市場跟技術發展到極致，從而獲得競爭優勢。半導體產業是一門極專業的科技，唯有專注才能成就卓越，台積電的7奈米、5奈米與3奈米製程不僅準時推出，而且性能、良率都優於競爭同業，就是最好的例子。

全球半導體設備及材料市場概況

半導體應用的蓬勃發展，使得半導體製造成為一個巨大而且深具戰略意義的產業。除了半導體製造之外，相關支援產業如原物料、化學品及設備，也是半導體製造業不可或缺的區塊。

半導體材料包含：矽晶圓、各種化學品與氣體，以及導線架等封裝材料三大類，其中又以矽晶圓占比最大。根據SEMI的統計數據，2021年全球半導體材料市場營收成長15.9%，達到643億美元，再度刷新了2020年創下的555億美元紀錄。(詳見完整新聞稿)

半導體設備方面，據SEMI公布的全球晶圓廠預測報告(World Fab Forecast)，2022年全球前端晶圓廠設備支出總額將較前一年成長18%，來到1,070億美元的歷史新高，繼 2021年成長 42%之後，已連續三年大漲。(詳見完整新聞稿)

SEMI 為一全球化的半導體產業協會，自 1986 年以來，通過各種數據收集計劃與 SEMI 會員密切合作，持續追蹤半導體設備、材料市場動態，為全球半導體產業提供及時的市場洞察。SEMI 的市場研究報告擁有超過 1,000 家客戶，包含設備製造商、設備供應商、材料供應商到研究和金融機構，為值得信賴的市場數據來源。欲進一步了解SEMI市場報告相關服務，請見產品官方網頁

https://semi.org/zh/technology-trends/what-is-a-semiconductor

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