半導體元件物理學習書單與心得

因為過去這半年來有幾位朋友問我該怎麼學半導體,所以想說來寫些心得。不過我也只是一位固態組碩士而已,更別說半導體領域真的是包山包海,所以我只能分享自己那狹隘的所見所聞(修課、自學與研究),希望這篇文章可以給你一些初步的學習方向。

這篇文章會提到:

  • 固態物理
  • 元件物理
  • 氧化層穩定度專題(含 $\LaTeX$ 筆記)
  • (進階)半導體的電流是怎麼來的?
〈氧化層穩定度專題〉$\LaTeX$ 筆記截圖
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淺談科學的起源——從神話開始

這篇文章是我於 2013 年時,為了試教一位國二生所製作的講義。由於當時我認為,如果要學好理化——或者說科學,那勢必得先從學生本身可感受的生活素材中,提煉出有關於科學的元素,並由此依著人類的直覺推演,讓學生感受到科學的發展、形塑自己的科學觀。因此,我花了幾週的時間閱讀非常多的相關書籍,例如桂起權的《科學思想的源流》、Gangang Prathap 的《The Origin of Science》、凱倫・阿姆斯壯的《神話簡史》、張史寶的《桃的神話與文學原型研究》,最後整理出這份講義。

之後那位國中生似乎完全沒搞清楚她身邊這位大哥哥在幹什麼,哈哈。儘管她的父母也很願意請我當家教(試教成功的意思),但我還是拒絕了 XD 因為我覺得我無法克制自己去用很冒險的方式教「國中理化」 XD  這份四年前就寫好的講義,與其一直放在電腦裡,不如拿出來跟有緣人分享。

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在元件模擬中,電晶體裡的「溫度」通常指的是什麼?

只是一點讀書心得,我相信理論物理學家會有好很多的答案。那為什麼我要強調這是在「元件模擬」中呢?

一方面是為了跟理論物理學家們心中的溫度意義做點區隔,因為我不敢說我真正了解溫度的物理意義。另一方面,是因為我覺得,通常我們能「模擬」多少元件現象,我們就是「理解」了多少;以元件模擬的範疇來理解半導體元件物理中的溫度意義,我想並不至於太離譜。

可是也請不要期待會有什麼石破天驚的結論。沒有。溫度仍然代表著或是象徵著粒子能量分佈。溫度越高,粒子動能越大,這沒問題。只不過如果你想要有更“細緻”的了解,想知道這些概念究竟對應到半導體物理中的什麼概念,那麼或許可以接著往下看。

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該如何選購申根保險?

根據歐盟法規第十五條旅遊醫療保險(見下方連結),我認為最重要的是其中的第三點以及第五點。總保額必須三萬歐元,並且要能夠在歐盟成員國裡得到給付。換言之,我認為許多台灣提供的申根保險其實都是不合格的,因為很多都無法直接在歐盟給付;需要等你回台才能申辦等等的。合格與否由比利時辦事處或是海關等政府人員說了算,不是我說了算,所以僅供參考。

重要的是,這些規定也非常合情合理,沒有人希望在歐洲出事時,還要飛回台灣才能領保險金。有些網站甚至還會推薦你要買那種能夠直接將保險補償金額轉帳電匯給歐洲當地醫療院所的「申根保險」,而這很可能不會是“台灣的”申根保險能做到的了。還有一點很重要,就是最好能夠在你要前往的申根國家那裡,找得到該保險公司的聯絡據點。

我當時是買安盛保險,據我了解應該都是符合以上的要求,後來我也有申請安盛保險給付的經驗。雖然等了一個月錢才下來(正常的歐洲效率?),但的確有拿到錢,而且從魯汶搭公車去 Zaventum 的途中會經過安盛辦公室,親眼見到有辦公室的存在也的確比較安心。我沒拿安盛保險廣告費,只是單純分享當初我買的保險是什麼而已,提供給剛要來比利時的人參考。

關於歐盟法規 Regulation (EC) No 810/2009 of the European Parliament and of the Council of 13 July 2009 establishing a Community Code on Visas (Visa Code),詳見內文。

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Sherlock S2 Script – Scandal in Belgravia

IRENE ADLER

I can’t take all the credit. Had a bit of help. Uh- Jim Moriarty sends his love.

On Sherlock’s back – stiffening. On Mycroft, a sober note.

MYCROFT

Yes, he’s been in touch. Seems desperate for my attention. (Makes a note) Which I’m sure can be arranged.

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兩年碩班的 TCAD 學習心得

這篇文章會分享我以前在研究所學習 TCAD 的心得。後來我在 Synopsys TCAD 做了幾年,現在則是在 imec 讀 PhD,為元件可靠度現象開發專用的 TCAD 軟體,而這一切後來的經驗,使我對於我在碩班時期使用 TCAD 的心得就更有信心。這篇文章的目標讀者為:

  1. 未來想使用 TCAD 研究的大學生(物理系佳)。
  2. 正在使用 TCAD 的業界工程師。
  3. 不了解 TCAD,但是會需要跟 TCAD 工程師合作的人。

底下我會依序談談:

  1. 什麼是 TCAD?
  2. 如何取得 TCAD?(只能透過國家奈米實驗室)
  3. 我的碩班 TCAD 經驗(如何確定 TCAD 模擬結果符合我們在書上學到的知識?)
  4. 如何學習 TCAD?
  5. 該如何發揮 TCAD 的價值?
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To the electric resistance law at low temperatures by Felix Bloch in Utrecht, 1929

原始論文為〈Zum elektrischen Widerstandsgesetz bei tiefen Temperaturen〉,因為 Google 翻成英文後的排版很亂,所以想說就把它打上來,也許比較看得懂,結果其實我也沒看很懂(暈)。

A solution method is given which allows to determine the stationary velocity distribution of the conduction electrons under the influence of an external electric field for low temperatures. A law is obtained for electrical resistance.

Some time ago we examined the interaction processes of the conduction electrons with the crystal lattice and showed that its elastic oscillations cause not only changes in momentum but also changes in energy for the electrons. The question of a distribution function that is stationary under the influence of an external electric field and the lattice vibrations, and consequently of the resistance, then leads to a linear integral equation, while in the theories of Lorentz and Houston one finds where the energy changes of the electrons are neglected, only has to solve an ordinary linear equation for the distribution function **.

A solution could easily be found far above the characteristic temperature $\Theta$ of the metal, since there the energy of the lattice vibrations changes relatively little as a result of the interaction with the electrons. On the other hand, at that time we did not succeed in finding a solution for $T\ll\Theta$, and the assumption that the low temperatures cause substantial exchange of energy, together with Pauli’s exclusion principle, the disappearance of resistance with temperature, could not find any rigorous quantitative justification. This should be done here.

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剛抵達魯汶一個月的租屋心得

以我的情況來說,要在 25 天內(我的短租期限)在魯汶租到房子真的是壓力超級大的。如果你有辦法找到學校宿舍,或者是“足夠長的短租”,那會省下很多心力。但 imec 說他們只有提供給交換生短期住宿,並沒有提供給博士生,所以我只能自己找短租了。此外,因為我的 PhD 開始日期是在學期中(三月底),沒有跟著學期開始,而且我在一月中收到 KU Leuven 入學通知書後,我只有兩個月的時間準備出國,而不是還有長達半年的時間準備,而且抵達後隔天禮拜一就是開始日,所以一切都非常趕。

這篇就來談談我在過去一個月裡的魯汶找房心得。

還有一點很重要:感謝所有幫過我給過我建議的不論是有見過面還是沒見過面的貴人們!非常感謝。沒有大家的幫助,我不知道還要繞多少遠路才能租到房子。於是希望寫這篇來幫助未來可能需要的台灣同學們。

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imec/TSMC:二維材料邏輯元件晶圓級(Wafer-scale)製程挑戰

還記得在去年 10 月就有媒體分享台積電將於去年年底的國際電子元件會議(International Electron Devices Meeting, IEDM報告二維材料邏輯元件的開發成果,算是半導體元件開發的重大突破。

這些研究的其中一位領導人物,Dr. Iuliana Radu,其實也在 2021 年底發表了一篇她於 imec 研究的《在晶圓規模下,使用二維材料製作高效能運算邏輯電路時會遇到的製程整合挑戰》論文:Challenges of Wafer-Scale Integration of 2D Semiconductors for High-Performance Transistor Circuits。Dr. Radu 目前是台積電技術研究部門(Corporate Research)的副處長(Deputy Director)。她過去在 imec 做了約八年的研究,現在這篇網誌文章就是在談她作為第三作者於 2021 年底發表的技術論文。

雖然這篇論文是在 imec 完成的,但由於其第三作者 Dr. Radu 在論文投稿時就已在台積電服務,並且她也在一年後代表台積電於 IEDM 發表了二維材料研發進展論文,所以我認為這篇論文還是有一定程度的代表性,這也是我想分享這篇論文的主因。

接下來我將先跟大家簡略回顧 IEDM 官網上公開的 TSMC 二維材料研究進展,然後再分享上述那篇 imec 論文的中文翻譯(該論文以 CC 4.0 授權分享)。但因為時間有限,而且這篇論文非常長,所以我只翻了前兩節的內容。

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imec / KU Leuven Semiconductor Physics PhD 錄取心得

距離申請的那天至今已經差不多快半年了,這期間在網路上很努力的找許多相關資料,不論是國內還是國外的,但相關心得文實在是非常非常非常非常少。即便是考慮了知乎等其他中國網站、Reddit 與 Quora,imec 博士班申請心得文大概也不超過五篇?於是想說也許我可以貢獻個一篇給有緣人參考。

值得注意的是,在寫這篇心得的時候,我人還在台灣準備各種簽證事宜,還沒動身前往 imec。因此我並沒有 imec 裡的第一手消息。這篇僅僅是分享我幾個月前申請的一些個人心得。也許,比較適合同樣在考慮是否要辭職讀博班的人參考嗎?總之就看看囉。

文章超長,請做好心理準備 XD

imec tower
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簡易教學:用 Python 撈取股市資料與作圖

一直都想試試用 Python 撈股市資料與作圖,終於用好啦。這篇文章應該“有點”適合完全不會 Python 的人看。雖然我全部都說不清楚,因為我也真的不太會 Python(如果說錯,還請多多包涵),但我都有貼每個用法的“說明文章”,所以只要有耐心依序看完這些文章,那基本上應該沒問題,嗯,只要有耐心看完 XD

這篇文章的目的不是要分析股市,畢竟我也不懂股市。這篇的目的在於簡單說明如何用 Python 從「公開資訊觀測站」撈取簡單資料,並且作圖。只要學會這些,其他的操作我認為是大同小異,頂多是比較複雜的數據處理。但只要撈到數據了,基本上數據處理的程式語言應該不會太難。

總太 (3056) 的「現金及約當現金」變化圖
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週期位能所帶來的能帶結構——Bloch’s Theorem

在各種物質形態中,固態顯然是比液態甚至是氣態還要有序許多的型態。因此,固態理論發展得較為成熟,倒也不是什麼意外的事。而固態的特點就在於具有週期的晶格排列。

$$U(\mathbf{r}+\mathbf{R})=U(\mathbf{r})\label{1}\tag{1}$$

由於我認為固態物理的精華,以及半導體物理的基礎就在於能帶概念。了解能帶結構(Band structure),才有可能了解能帶圖(Band diagram),因此將我對於 Ashcroft & Mermin (1976) 的讀書心得整理為這篇文章,逐一說明下述觀念:

  • 布拉赫定理(Bloch’s theorem)
  • 布拉赫定理的第一種證明
  • 波恩・馮卡曼邊界條件(Born-von Karman Boundary Condition)
  • 布拉赫定理的第二種證明
  • 布拉赫定理的物理內涵

希望讀者們在看完這篇文章後,就能了解:

  • 倒空間(reciprocal space)的晶格點(Bloch wave vector)是怎麼來的?
  • 為什麼晶格點並不像實數軸那樣連續?它們之間的最小間隔是怎麼來的?
  • 什麼是晶格動量(Crystal momentum)?為什麼有這種概念?
  • 到底能帶結構(Band structure)$\varepsilon_{n}(\mathbf{k})$是怎麼來的?
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