現代電子產品的核心：半導體與量子物理原來這麼簡單！

★ ☆ ★ 迷你電子世界的大解密，啟動您的半導體探險之旅！ ★ ☆ ★

在我們的日常生活中，幾乎所有的家電產品都有半導體，但你知道，其實它的運作方式與量子物理有關嗎？即便大家可能都聽過半導體(或稱晶片)，但對於其運用或相關原理可能都不是那麼清楚，本書便是想要以淺顯易懂的方式，來讓大家了解半導體是什麼。

但半導體本身涵蓋的知識非常龐大，想要透過一本書談完根本難如登天，因此本書只會關注「基本問題」，意即想要入門半導體需要學習哪些基本知識，從中了解重要梗概，進而掌握本質。本書分成兩個部份，第一部份屬於半導體應用，第二部份屬於半導體原理。內容上從積體電路與半導體的基礎開始談起，涵蓋了記憶體、元件概說、量子物理學、量子化學、晶體科學，進而到半導體的材料與製程，最後則談論到晶片漏洞的資安問題。

本書以簡單易懂的語言描述，並用生動的譬喻，使讀者更容易理解半導體的原理，也讓這些艱深的知識變得輕鬆有趣，無論是剛接觸半導體的初學者，還是對其有一定了解的人士，相信都能在本書中找到專屬的趣味。現在就讓我們一起探索半導體的奧妙，並感受科技的影響力吧！

北極星

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序

在現代社會當中，半導體可以說是深深地影響著人類的生活，舉凡我們日常生活中所用的家電產品，甚至是你玩的手機或電腦等3C產品，幾乎每一樣都跟半導體脫離不了關係。

很多人都聽過半導體，尤其是打開新聞，幾乎天天都有半導體（或晶片）的相關消息，但現在問題來了，聽過歸聽過，但知道這裡頭道理的人卻不多，這主要是因為半導體是一門涉及到諸多領域的專業技術，也因此，作者試著透過本書，希望以淺顯易懂的方式來讓大家稍微地了解一下半導體到底是個什麼樣的東西。

半導體這門技術所涉及到的學科很廣，就半導體的研發製造與實際應用上，除了有物理、化學、化工與材料等專業領域之外，更涵蓋了電子、電機、通訊與資工；而在人文社會上，半導體更涉及到了軍事、國防、商業與政治等諸多領域，簡而言之，半導體所涉及到的範圍之廣那幾乎是無法估計。

想掌握半導體，那要學習的東西可多著，而我不得不說，這根本看不盡也學不完，一個人在一生之中不可能學完與半導體相關的所有知識，例如以IC來說，這世界上的IC實在是太多了，但話雖如此，IC的種類雖然繁多，但其根本規則依然是有律可循，本書的重點並不是教各位這世界上有多少種從半導體所衍伸出來的相關產品，而是告訴大家，想要入門半導體，你必須得具備什麼樣的基本知識，並且從中了解大概與掌握本質，正所謂萬變不離其宗，變化再多端的產品，一定也逃不出基本的原理原則，而本書講的，就是這個原理原則。

所謂的科學，指的是一種具有系統性的知識體系，而每一門科學都有其基本問題在，而這些基本問題，宛如修得絕世武功之前的蹲馬步般地重要，我認為，在學習基本問題之時，除非你學習的對象是數學，不然不需要去探討什麼高深學理與數學運算，那完全不切實際，我們先了解我們要學習的對象是什麼，並且一步一步地把基礎觀念打好這樣就夠了。

本書的定位是基本問題，基本問題的意思是說，想要入門半導體需要學習哪些基本知識，而為了方便大家學習，我把半導體的學習領域給分成了兩大部分，分別是：

第一部分：屬於半導體的應用，內容涉及到電子、電機、通訊與資工等領域。
第二部分：屬於半導體的原理，內容涉及到物理、化學、化工與材料等領域。

而我在前面也說過，半導體不是只涉及到上面那兩個部分而已，同時也涉及到軍事、國防、商業與政治等人文領域，所以如果各位在閱讀完本書之後，對於半導體在人文領域方面有興趣的話，建議可以去找找這部分的書籍來閱讀補充，如此一來，更可以擴大各位對於半導體的認知與視野。

對有學習過半導體的讀者們來說，我相信很多人的學習經驗應該是不太愉快，因為除了得了解半導體物理學之外，事前還得先修過量子物理學（或者是量子力學），我知道量子物理學是一門非常抽象而且又深奧難懂的學問，但由於量子物理學發展了固態物理學，並且預言了半導體的存在，為日後的電晶體提供了一個理論基礎，所以半導體能夠有今天，完全可以說是拜量子物理學所賜。

再加上近年來，國外已經有廠商成功地開發出以量子物理學或量子力學為基本原理的量子計算機，量子計算機在執行原理上與傳統的半導體完全不同，而想要學習量子計算機之前，就必須得先學習量子物理學與量子力學，但要學習這兩門學問那談何容易啊，可不是隨手摸個兩本科普的書就能夠學會。

在我當學生之時，只要一講到量子這兩個字，別說學生，就連老師也逃之夭夭，我不得不說，量子物理學與量子力學真的是非常困難，而且相當難以學習，就連這方面的許多專家也不一定能夠弄清楚這量子物理學到底是怎麼一回事。

緣此，我特地在本書當中加上了量子物理學的基本知識，至於數學方面則是盡量用簡單的方式來描述，所以本書沒有那麼難，請各位帶著輕鬆愉快的心情來閱讀即可，如果真的遇到不懂的地方可暫時先跳過，等全書讀完一次之後再來重新閱讀。

由於本書作者的學識相當有限，再加上年紀漸長，且本書主題異常困難並橫跨多個領域，寫作中常感力不從心，所以本書是在作者心力交瘁之下所完成，因此書中難免有錯，以及對於這種主題難度甚高的書籍來說，我想我實在是很難寫出一本百分之百完全都沒有錯誤的書籍，因此書中難免有錯誤與不足之處，關於這點，還請各位讀者們多多包涵，而書中錯誤的部分，我會在本書上市後放到本書社團上當勘誤表讓各位下載使用：

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半導體與量子物理學的知識實在是無止無盡，所以，我也會在本書的社團上繼續撰寫有關於半導體與量子物理學的相關基本知識，有興趣的各位可以下載來看，最後，各位也可以來信與作者交流：

polaris20160401@gmail.com

北極星代表人

01 積體電路與半導體基本元件概說
1.1 引言
1.2 類比訊號與數位訊號的簡介
1.3 積體電路的分類 - 類比積體電路
1.4 積體電路的分類 - 數位積體電路
1.5 積體電路的分類 - 混合訊號積體電路
1.6 場效電晶體簡介
1.7 金屬氧化物半導體場效電晶體的工作原理簡介
1.8 金屬氧化物半導體場效電晶體的斷路狀態
1.9 金屬氧化物半導體場效電晶體的通路狀態
1.10 金屬氧化物半導體場效電晶體的總檢討
1.11 CMOS 概說
1.12 CMOS 的工作原理概說
1.13 CMOS 於邏輯閘上的電路實現
1.14 CMOS 的應用- 超級電腦.

02 半導體記憶體概說
2.1 引言
2.2 記憶體的類別
2.3 動態隨機存取記憶體DRAM 概說
2.4 DRAM 的工作原理 - 寫入
2.5 DRAM 的工作原理 - 讀取
2.6 DRAM 的類型
2.7 DRAM 總檢討
2.8 靜態隨機存取記憶體SRAM 概說
2.9 SRAM 對於資料的保存方式
2.10 SRAM 對於資料的讀取與寫入
2.11 可程式化唯讀記憶體概說
2.12 可擦拭可規劃式唯讀記憶體概說
2.13 電子抹除式可複寫唯讀記憶體簡介
2.14 量子穿隧效應概說
2.15 快閃記憶體概說
2.16 快閃記憶體的工作原理簡介 - 寫入
2.17 快閃記憶體的工作原理簡介 - 消除
2.18 快閃記憶體的工作原理簡介 - 讀取
2.19 快閃記憶體的多位元設計

03 與CPU有關的半導體元件概說
3.1 引言
3.2 CPU 的功能簡介
3.3 邏輯閘與IC 之間的基本關係
3.4 半加器概說
3.5 全加器概說
3.6 超前進位加法器概說
3.7 正反器概說
3.8 RS 正反器概說
3.9 JK 正反器概說
3.10 時脈訊號概說
3.11 時脈訊號運用於JK 正反器
3.12 T 型正反器概說
3.13 D 型正反器概說
3.14 計數器的簡介
3.15 多工器與解多工器概說
3.16 編碼器與解碼器概說
3.17 微處理器簡介

04 量子物理學簡介
4.1 引言
4.2 粒子的基本概念
4.3 雙狹縫實驗概說
4.4 電子的雙狹縫實驗
4.5 電子呈現波的關鍵證據
4.6 普朗克黑體輻射定律概說
4.7 電子在同一時間出現在不同地方
4.8 量子物理學當中的機率概說
4.9 薛丁格的貓簡介
4.10 自旋簡介
4.11 塌縮簡介
4.12 電子波的物理意義
4.13 在雙狹縫實驗中對電子觀察
4.14 測不準原理概說
4.15 EPR 悖論簡介

05 量子物理學的課後補給
5.1 引言
5.2 光電效應概說
5.3 功函數概說
5.4 物質波概說
5.5 波函數的物理意義
5.6 關於粒子與電子雲的解釋
5.7 測量所帶來的最大難點
5.8 零點振動概說
5.9 再論量子穿隧效應
5.10 全同粒子
5.11 電子組態簡介
5.12 細論軌域

06 量子物理學的進階基礎
6.1 薛丁格方程式概說
6.2 薛丁格方程式解的基本概念
6.3 盒中粒子一
6.4 盒中粒子二
6.5 盒中粒子三
6.6 盒中粒子四
6.7 盒中粒子五
6.8 環上粒子一
6.9 環上粒子二
6.10 光譜概說
6.11 基態與激發態概說
6.12 發射光譜概說
6.13 對於原子的分類
6.14 氫原子光譜概說
6.15 波耳頻率條件
6.16 能階概說
6.17 譜線方程式與游離能
6.18 軌域概說
6.19 量子數概說
6.20 量子數與原子結構概說
6.21 S 軌域概說
6.22 P 軌域概說
6.23 d 軌域概說
6.24 自旋與包立不相容原理
6.25 電子組態的排列原理
6.26 離子的電子組態

07 量子物理學的進階應用 - 量子化學概論
7.1 分子軌域與共價鍵概說
7.2 氫分子的波函數表示
7.3 位能曲線概說
7.4 甲烷的基本簡介-
7.5 提昇與混成
7.6 混成與波函數
7.7 電負度與氫鍵
7.8 共振
7.9 原子軌域線性組合概說
7.10 成鍵軌域與反鍵軌域
7.11 化學鍵的基本意義與種類
7.12 離子鍵的基本概念
7.13 共價鍵的基本概念
7.14 共價鍵 - σ 鍵的基本概念
7.15 共價鍵 - π 鍵的基本概念
7.16 共價鍵 - δ 鍵的基本概念
7.17 共價鍵- 極性共價鍵與非極性共價鍵的基本概念
7.18 金屬鍵的基本概念
7.19 σ 軌域
7.20 π 軌域
7.21 δ 軌域
7.22 φ 軌域
7.23 氧氣分子的電子組態
7.24 鍵級
7.25 順磁性與反磁性概說

08 晶體科學概說
8.1 晶胞概說
8.2 單晶、多晶與非晶概說
8.3 空間晶格- 晶胞概說
8.4 空間晶格- 基本胞概說
8.5 立方晶系概說
8.6 晶格概說
8.7 晶體方向概說
8.8 米勒指數與晶面概說
8.9 晶體概說
8.10 晶粒與晶界概說

09 半導體材料概說
9.1 引言
9.2 能帶結構概說
9.3 元素週期表當中的半導體材料
9.4 元素型半導體材料 - 鍺的簡介
9.5 元素型半導體材料 - 矽的簡介
9.6 化合物型半導體材料簡介
9.7 化合物型半導體材料 - 砷化鎵簡介
9.8 化合物型半導體材料 - 氮化鎵簡介
9.9 化合物型半導體材料 - 磷化鎵簡介
9.10 化合物型半導體材料 - 磷化銦簡介
9.11 化合物型半導體材料 - 碲化鎘簡介
9.12 化合物型半導體材料 - 硫化鉛簡介
9.13 化合物型半導體材料 - 氧化鋅簡介
9.14 化合物型半導體材料 - 碳化矽簡介
9.15 合金型半導體材料 - 矽鍺簡介

10 半導體製程概說
10.1 引言
10.2 生長晶體概說
10.3 積體電路的關鍵製程簡介
10.4 薄膜製程簡介
10.5 微影製程簡介
10.6 從數位邏輯設計到半導體製程
10.7 摻雜製程簡介
10.8 熱處理製程簡介
10.9 CMOS 的製程簡介
10.10 晶圓測試簡介
10.11 積體電路的封裝簡介

11 其他常見的半導體元件
11.1 引言
11.2 太陽光電系統概說
11.3 認知電腦概說
11.4 發光二極體概說
11.5 異質接面與同質接面概說
11.6 雷射概說
11.7 半導體雷射概說
11.8 功率半導體概說
11.9 感光元件概說
11.10 薄膜電晶體簡介

12 半導體與晶片漏洞概說
12.1 硬體木馬鍵盤紀錄器概說
12.2 漏洞概說
12.3 硬體漏洞的經典範例 - 熔毀Meltdown 概說
12.4 硬體漏洞的經典範例 - 幽靈Spectre 概說
12.5 單晶片概說
12.6 單晶片系統與硬體木馬概說
12.7 半導體木馬簡介
12.8 掃描電子顯微鏡簡介
12.9 積體電路的逆向工程概說