半導體概述(Introduction to Semiconductor)-2026

 

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半導體（Semiconductor）定義與分類1. 半導體的定義半導體是指電導率（conductivity）介於導體（conductor）與絕緣體（insulator）之間的材料。其導電能力會受到以下因素顯著影響：

• 溫度：溫度升高時，載子（電子與電洞）數量增加，導電率通常上升。
• 雜質摻雜（Doping）：加入微量特定元素可大幅改變導電類型與能力。
• 光照、電場、磁場：外部條件可控制其導電性。

能帶理論解釋：

• 導體：價帶（valence band）與導帶（conduction band）重疊或重疊很少，電子容易移動。
• 絕緣體：能帶間隙（Band Gap）很大（>5 eV），電子難以躍遷。
• 半導體：能帶間隙中等（通常 0.1~3 eV），在室溫下有少量電子可被熱激發至導帶，形成電子與電洞（hole）載子。

常見特性：

• 負溫度係數（與金屬相反）
• 光電效應、熱電效應
• 可透過摻雜實現 N型（電子為多數載子）或 P型（電洞為多數載子）

最重要材料：矽（Silicon, Si） 佔全球半導體產業約 90% 以上，其次是鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）等。2. 半導體的分類半導體可從多個角度分類，以下為常見分類方式：(1) 依化學組成 / 材料類型分類

• 元素半導體（Elemental Semiconductors）
  • 單一元素組成：矽（Si）、鍺（Ge）、硒（Se）等。
  • 優點：製程成熟、成本低、晶體品質高。
  • 缺點：電子遷移率較低、禁帶寬度較小（Si: 1.12 eV）。
• 化合物半導體（Compound Semiconductors）
  • III-V 族：GaAs、InP、GaN、InGaAs 等（高速、高頻、光電元件主力）。
  • II-VI 族：ZnS、CdTe 等（常用於光電）。
  • IV-IV 族：SiC、SiGe（高功率、高溫應用）。
  • 其他：氧化物半導體（如 IGZO 用於 TFT）、有機半導體（OLED、有機太陽能電池）。
• 有機半導體（Organic Semiconductors）
  • 以碳為主的有機分子或聚合物（如聚噻吩）。
  • 應用：OLED、柔性電子、有機太陽能電池（OPV）、有機薄膜電晶體（OTFT）。

(2) 依純度與摻雜分類

• 本徵半導體（Intrinsic Semiconductor）：純淨、無摻雜，載子由熱激發產生，電子數 = 電洞數。
• 外徵半導體（Extrinsic Semiconductor）：
  • N型：摻雜五價元素（如磷 P、砷 As），多數載子為電子。
  • P型：摻雜三價元素（如硼 B、鎵 Ga），多數載子為電洞。

(3) 依晶體結構分類

• 單晶半導體（Single Crystal）：原子排列規則（如晶圓級矽）。
• 多晶半導體（Polycrystalline）。
• 非晶半導體（Amorphous）：如非晶矽（a-Si），用於太陽能板、TFT LCD。

(4) 依應用與形態分類

• 分立元件（Discrete）：二極體、電晶體、閘流體、功率 MOSFET 等。
• 積體電路（Integrated Circuit, IC）：
  • 類比 IC
  • 數位 IC（邏輯、記憶體、微處理器）
  • 混合訊號 IC
• 功率半導體（Power Semiconductor）：SiC、GaN 用於電動車、再生能源。
• 光電半導體（Optoelectronics）：LED、雷射二極體、影像感測器（CMOS/CCD）、太陽能電池。
• 感測器與其他：霍爾感測器、氣體感測器等。

(5) 依能帶間隙（Band Gap）分類

• 窄能隙：InSb、HgCdTe（紅外線偵測）。
• 中能隙：Si、Ge（主流）。
• 寬能隙（Wide Bandgap, WBG）：SiC（~3.2 eV）、GaN（~3.4 eV）——耐高壓、高溫、高頻。

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3. 目前產業趨勢重點

• 矽基主流持續統治邏輯與記憶體。
• 化合物半導體（GaN、SiC） 快速成長於 5G/6G、電動車、資料中心電源。
• 先進製程：3nm、2nm 以下（GAAFET、CFET 等新架構）。
• 新興：2D 材料（石墨烯、過渡金屬二硫族化合物 TMDC）、量子點、鈣鈦礦等。

Manufacturer	IDM	Intel Samsung SK Hynix Micron TI SONY Kloxia(Toshiba) Matsushita Sharp Hitachi Renesas STM Infineon NXP ADI Tower Semiconductor Tesla & Space X
	IC Design House or IP	ARM Nvidia Broadcom Qualcomm Apple Google AMD IBM MediaTek RealTek
	Pure Play Foundary	TSMC UMC Global Foundry

By Material

Si-based Material(Crystalline、Poly)

Compound Material(GaAs、GaN、SiC)

Lighting Compound Material(II IV Group、III V Group)

By Function(Analog or Digital)

• Discrete Device

• Lighting Device

• Power Device

• Integrated Circuit

• Logic IC

• Memory

• Power Amplifier

• Power Management IC

• ASIC/ASSP(Application IC)

Discrete Device

Passive Element(R(resistor) 、L(inductor) 、C(capacitor) )

Diode(PN Diode、Schottky Diode、Zener Diode)

MOSFET(N-MOS、P-MOS、CMOS)

<=1W

>1W

BJT(NPN、PNP)

<=1W

>1W

JFET

<=1W

>1W

Power Device

Diode

Thyristor

SCR

GTO

Triac

IGBT

Transistor

Power MOSFET

MCT

IGCT

Lighting Device

LED(Red、Green、Blue、White)

Photo Diode

LD(Red、Green、Blue)

PIN Diode

Light Sensor

Integrated Circuit

MCU

CPU(Including North and South Bridge 、RISC/CISC Architecture)

GPU

TPU

NPU

DSP

Mixed Signal IC

ADC/DAC

Logic Device(NAND or NOR Based)

Combinational Logic IC

• TTL Logic IC

• CMOS Logic IC

• Sequential Logic IC

• Flip-Flop(SR/D/JK/T)

• Progammable Logic Device(PLD)

Power Management IC

LDO(Low-DropOut Regulator)

Switch IC

Non-isolated Topologies

• Buck

• Boost

• Buck-Boost

• Boost-Buck

• Ćuk

• SEPIC

• Zeta

• Charge pump / switched capacitor

Isolated Topologies

• Flyback

• RCC

• Half-forward

• Forward

• Resonant forward

• Push-pull

• Half-bridge

• Full-bridge

• Resonant, zero voltage switched

Memory

Main Memory

• DRAM

• SRAM

Program Memory(NOR Based)

• EEPROM

• EPROM

• PROM

Storage Memory(NAND Based)

• Flash Memory (Solid State Memory or Hard Disk)

Power Amplifier

Basic Type

• Class A

• Class B

• Class AB

• Class C

• Class D(Duty Cycle)

Additional Type

• Class E

• Class F

• Class G&H

OP Amp.

• Oscillator

• GIC

• Voltage Follower

• Differential Amp.

• Integrator

• Differentiator

• Negative Resistor

ASIC/ASSP(4CIDBA)

Single Function

• USB IC

• HDMI IC

• Bluetooth IC

• Camera IC

• WiFi IC

• LiFi IC

Multi-Function

• ASIC

• ASSP

• SoC

Note:4CIDBASE/Computer、Consumer(Home Appliances & Entertainment)、Communication(Mobile、Satellite、Space)、Car(Transportation)、Industrial 、Defense、Biotech(Medical、Medicine、Agriculture)、Aerospace、AI、Engineering、Science、Smart Device

ASIC：Application Specific Integrated Circuit

ASSP：Application Specific Standard Parts

SoC：System on Chip

Reference

Ｘ Ｇrok

Multi-Lingual Wikipedia

Renesas Website Engineer School

Texas Instruments Website

Qualcomm Website

Toshiba Website