【積體電路60週年】施敏與浮閘記憶體

施敏。圖片來源:交通大學

撰文|方程毅

半導體界有名的華人,大家多半想到台積電創辦人張忠謀,但半導體界具影響力的華人並不只他一人,本文將介紹另一位極具代表性的人物:施敏。

施敏於1968年研發出「浮閘記憶體效應」,並製作出第一個非揮發式記憶體(Non-volatile semiconductor memory,NVSM),影響半導體產業甚鉅。若沒有這項發明,就不會有今天的手機、平板或其他電子產品。

記憶體分為揮發式及非揮發式,揮發式記憶體內儲存的資料會在記憶體斷電後消失,而施敏研發出的非揮發式記憶體可以在斷電後依舊保存資料。除此之外施敏撰寫的教科書《半導體元件物理學》(Physics of Semiconductor Devices)至今仍是半導體物理學界的聖經。

施敏於1936年出生於南京,不久後跟隨父親來台。1957年畢業於台大電機系,隨後赴美深造,1963年獲史丹佛大學電機博士學位。畢業後進入貝爾實驗室工作(Bell Laboratories)。貝爾實驗室即是肖克利發明電晶體之處,這個肖克利正是系列2中創建肖克利半導體實驗室,難以相處的個性讓Intel創辦人戈登·摩爾及羅伯特·諾伊斯離職並創立仙童半導體。但無論肖克利多難搞,貝爾實驗室依舊是半導體人才的搖籃。

在當時,主流的記憶體為磁圈記憶體,但磁圈記憶體體積大又耗電,取代磁圈記憶體將可大幅提升計算機效能,施敏在貝爾實驗室的同事,美籍韓裔科學家姜大元率先研發出金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET),至今仍被廣泛應用於積體電路中。金氧半場效電晶體的「金氧半」是指電晶體中的閘極(gate)的材料是由一層金屬、一層絕緣的氧化物及半導體所構成。但這項發明並不足以取代磁圈記憶體,因為資料並不能長存於其中。在施敏及姜大元的努力下,他們想到在氧化層中間再加入一層金屬層,使電晶體的閘極由上而下分別為金屬、氧化層、金屬(也就是浮閘)、一層較薄的氧化層以及最下面的半導體。中間的金屬層,由於上下都是絕緣的氧化層,因此電荷可以被保留,這便是浮閘記憶體效應。全球第一批浮閘記憶體(Floating-gate Non-volatile Semiconductor Memory) 在1967年被製作出來。

在當時,這項技術並未受到重視,直到1983年,日本遊戲公司任天堂將此技術運用於遊戲機,於是玩家們終於可以記錄積分,被打死後也可以不用重來,可以從特定紀錄點開始。1984年,浮閘記憶體被用於個人電腦的BIOS,讓電腦開機變得更快速。自90年代起,浮閘記憶體開創了現代數位電子的蓬勃發展。到今天,每年有超過4憶兆個浮閘記憶體被生產。

施敏的研究雖然都在美國進行,但一直心繫台灣。1968年曾回台進入交通大學擔任講座教授一年,在貝爾實驗室工作的27年中,施敏曾留職停薪五次返台授課。並在1989年自貝爾實驗室退休後,至交大電子工程系任教,前交大校長張俊彥也是施敏學生之一。除了在學界活躍,施敏也創立了台灣第一間半導體公司「環宇電子」,宏碁電腦創辦人施振榮便曾是環宇電子的工程師。在2017年,施敏也獲得全球電機電子工程師學會(IEEE)頒發「尊榮會員」(Celebrated Member),這位半導體教父的發明或是教學至今仍深深影響產業界。

 

參考資料:

  1. 施敏. "浮閘記憶體從發明到數位電子時代." 奈米通訊 (Nano Commuication)19, no. 1 (2012): 2-13.
  2. 比張忠謀輩分還高的半導體教父
  3. 王麗娟. “施敏與數位時代的故事,” 宏津數位科技, (2013).

 

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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