一、說明題: (20 points per...

97 學年第二學期義守大學通識人類與科技期末考複習資料

姓名: 學號: 陳柏頴老師命題

請以另計答案紙作答, 可攜帶簡單非工程用計算機

一、說明題: (20 points per each)

1. 太陽能電池的結構為何 ? 製作步驟為何 ?

答:

太陽能電池(solar cell) 是由很多層的材料所組成（上圖所示）

1.正面電極（front contact）：此部份搜集太陽能電池所產生的電流，電

極的材料通常是用銅，然後在表面上鍍一層鍚，電極的面積如果太大，就

會減收太陽能電池的有效照光面積，若太小，其阻抗的損失會變大。正面

的電極就是太陽能電池的負極（即藍色那一面）。

2.反反射電鍍（antireflective coating;150mm 厚）：這一層電鍍，是要使

得光不要因為反射而照成光的損失，若沒有這一層的電鍍，矽晶元大概會

反射掉三分之一的光，也就是說，太陽能電池的能量就會少於三分之一。

這一層薄薄的電鍍，是為了減少它的反射損失在百分之五以下，實際上，

若做得好，可以使它的反射損失降到百分之二以下。

3.粗紋化：通常為了提高電池的效力，在電池的表面，會把它蝕刻成金字

塔狀或角錐狀的顆粒，這樣的處理可使得電池留住某些原本要反射掉的太

陽光。

4.N 型矽（300mm 厚）：矽晶片內摻雜磷，這是太陽能電池的負極。

5.P-N 接面：即為 N 型矽及 P 型矽接觸的地方，也有人稱之『空乏區

（Depletion Zone）』。

6.P 型矽（250,000mm 厚）：矽晶片內摻雜硼，此為太陽能電池的正極。

7.背面電極：在太陽能電池的背面，所裝在金屬電極，此處是電子進入太陽

能電池的地方，也就是太陽能電池的正極。

2. 試說明太陽能電池(solar cell) 的 I-V 曲線為何 ? 有何意義 ? 答; 太陽能電池產生出直流電流，而所產生直流電流的總量是一個電壓的函數。

太陽能電池的 I-V 曲線，是用來表現電壓和電流的一個圖，這個曲線我們可以

用它來看出太陽能電池可以在何種情況下工作，並且可以用來做兩片以上太陽

能電池間的相互比對（這個曲線就像電池的身份証明），下圖是一個典型的單

晶太陽能電池在標準測試條件下的 I-V 曲線圖。

注意這曲線轉折點的左邊，當電壓大大的改變，而電流只有小小的波動；當在

其轉折點的右邊，電流變化很快，但電壓卻只有些微的小變動。

太陽能電池的參考參數：

1. Isc:短路電流 "約為" 3.36A

2. Imax:在 Pmax 時的電流 "約為" 3A

3. Voc:開路電壓 "約為" 0.6V

4. Vmax:在 Pmax 時的電壓 "約為" 0.5V

5. Pmax:最大功率點 "約為" 1.5V

3 試說明太陽能電池(solar cell) 的溫度效應為何 ?

答:

下圖用來表示在三種不同溫度下，對 I-V 曲線的影響。

1.溫度上升時，它的輸出功率就會下降。

2.當溫度每增加 1℃，電壓大約會減少 2.3 m V。

3.電流的改變是非常小的（當溫度增加時，只會稍微的增加），所以，通常在

計算上都會忽略不計。

4. 請說明矽為何是太陽能電池(solar cell) 的材料 ?

答: 結構：

一個矽原子有十四個中子及十四個電子，最外一層的軌道上有四電子，這也是

我們稱為『價電帶』的地方，當單晶矽一旦成形時，它原子的排列就如下圖所

示，這樣的結構就稱為鑽石結構。

在鑽石結構裡，一個矽原子與其它鄰近的矽原子是共價的。在每個價電帶上，

每一個矽原子分享到另外一個矽原子所提供的四個電子，所以在它的最外圍的

軌道上形成一個穩定的狀態。

電子被束縛在價電帶上，無法在原子與原子間到處漫遊，假如這些電子想要離

開價電帶而到傳導帶的話，它必須要獲得外部的能量，才能夠離開價電帶到傳

導帶。

傳導帶和價電帶之間能量的差別我們稱之為能隙，不同的材料有不同的能隙，

而能隙也會隨著溫度的上升而稍微減少，能隙的大小決定了太陽能電池的開路

電壓。假如有比較高的能隙材料其作出來的太陽能電池之開路電壓也會比較

高。

不同材料不同的能隙值，矽的能隙是 1.12eV，砷化鎵的能隙為 1.43eV；這代表

砷化鎵需要更大的能量把電子從價電帶送到傳導帶。

因為太陽光的光子它帶有某一程度的光，太陽光是由某一特定範圍能量的光所

混光而成的，所以，能隙對太陽能電池而言是一個非常重要的參數。太陽光的

光子所帶的能量假如比某一特定材質的能隙小時，那就無法將材料的電子從價

電帶傳送到傳導帶。

假如太陽光光子的能量等於能隙時，當它撞擊到材料時，其電子將會移到傳導

帶，而原先在價電帶上那個被撞擊的電子，將會形成一個帶有正電的位置，這

個位置我們稱之為『電洞』，它所表現的為一正電荷的特性，這個光子我們就

說它創造了一對『電子-電洞對』。

假如光子所帶的能量大於帶隙能量時，它也只能帶動一個電子離開價電帶至傳

導帶，只是速度較快，而它的能量會在電子移動時化為熱能散失掉。

摻雜（doping）：

假如太陽能電池是用純矽來作太陽能電池，那是發不出什麼可用的能量，電子

從價電帶到傳導到後也只是到處漫遊，最後再與電洞相結合，而無法產生任何

有用的電流。為了讓太陽能電池產生真正有用的電流，它必須要有一個『內造

電場』，而內造電場的產生則必須要靠摻雜的技術，摻雜就是在某一材料內摻

入另外其它的原素而改變此材料的電性，而這個原素我們稱之為『摻雜物

（dopan）』。我們在第一章太陽電池-徹底剖析中提到，單晶太陽能電池有兩

層，在上層是 N 型矽，下層是 P 型矽，這是因為 N 型矽及 P 型矽的摻雜物不

同，相對於未摻雜前的矽（又叫本質半導體）而稱之。

硼：

硼是用來作 P 型矽的摻雜物，硼原子和相鄰的矽原子共用四個價鍵，因為硼原

子只有三個電子在它最外一層的軌道上，所以在某一個價鍵上硼原子只有一個

電子，而缺少這個電子的價鍵上就產生了一個帶有正電荷的電洞，因為鄰近的

電子會過來補這個電洞，而另外一個電子又來補這個電子所留下來的電洞，一

直重覆下去就會好像正電荷正在流動。硼原子摻入矽原子的比例大約為 1：

1×107。

磷是用來作 N 型矽的摻雜物，磷原子有五個電子在它的價電帶上，跟它相鄰

的矽原子只能接受它四個電子，而多出來的一個額外的電子，這個負電荷就像

是在傳導帶上的電子般四處漫遊。磷原子摻入矽原子的比例大約為 1：1×10３。

P 型矽及 N 型矽相接合的地方我們稱它為 P-N 介面，此介面上會產生某些電子

與電洞的遷移並且結合而產生一個電場。假如某一光子（能量＞＝矽的能隙）

刺激某一電子接近這個電場，電子和電洞將會被電場的反方向所趨動，這就是

太陽能電池所產生的有效電流，電子會被拉到正面電極，而電洞會被推下背面

電極。

為了觀察太陽能電池的動作，我們外接一個線路，並借由外接線路上電子的流

動，來了解它所產生的電力，當然，太陽能電池並無損失任何的電子，因為所

有電子從正面電極流出後，通過線路板，最後經由背面電極回到太陽能電池內。

同時在某些我們不想發生的狀況，比如說太陽能電池因為接反了，致使電流朝

反方面移動，在這種情況下太陽能電池會變成一個負載，因而產生熱能來破壞

太陽能電池，這是必須要避免的。

5. 何謂FOX ? ，其典型的流程為何 ?

［解答］(i) FOX是Field oxide的簡稱。

(ii)在先進的積體電路製程中，可以在矽表面擠進多達十萬個MOS電晶體，為了

使電晶體彼此間的操作不受到對方的干擾，必需將每個積體電路上電晶體彼此間

完全隔離與避免短路，在線寬0.25um世代以前之製程，FOX是相當被普遍使用的

絕緣隔離製程，因為它相當簡單且便宜的。

典型的流程如下:

1. Pad oxide (920 C, 110A) 因SIN與SI間應力大，需要一層Oxide作為緩衝層。

2. SIN Dep. (780 C, 1760A)

3. OD Photo

4. OD Etch.

5. FOX dep (920C, 7000A)

6. Pad ox/ SIN remove

7. Sac oxide dep (920 C, 110A) 此步驟是為降低矽晶圓的缺陷。以利閘極氧化層沉積

時之品質。

6. 何謂STI ? ，其典型的流程為何 ?

［解答］(i)STI是Shallow trench Isolation 的簡稱。

(ii)在線寬0.25um世代STI是標準的絕緣隔離製程，因為它可以省下FOX

製程的Bird-Beak (鳥嘴)的面積。

典型的流程如下:

1. Pad oxide (920 C, 110A) 因SIN與SI間應力大，需要一層Oxide作為緩衝層。

2. SIN Dep. (780 C, 1625A)

3. OD Photo

4. OD Etch.

5. PR. Strip

6. B-Clean

7. Lining oxide dep (920C, 350A) 此步驟是為Rounding STI corner profile

8.HDP (920C, 5800A)

7. 半導體製程中particle產生的來源為何?

［解答］1. 操作員(operator): 生產線所有操作人員是particle 產生的最大源頭且也

是最難捉摸與掌控的污染源(因為操作員是隨時隨地在移動)。

Particle (微粒子)在操作員上之來源可從衣服、手套、皮屑、口沬、油

脂, ----等此類particle之改善可從工作紀律(displance)作要求而獲得改

善。

2. 製程過程:

製程過程包括生產機台或生產之原物料都是particle產生的來源，此類

particle 可由機台保養包括年保、月保、或機台monitor而或得改善。

3. 環境:

生產外在環境包括生產廠房四周的衛生環境、大氣壓力、氣流方向、

溫度都會造成生產線particle增減來源。

8. 半導體製程中清洗(clean) 之步驟、化學成份、操作溫度與清洗目的各為何 ?

［解答］

9. 試繪圖並說明Passivation完成後元件結構之斷面圖。

［解答］

10. WAT (wafer acceptanced test) 的重要性為何?

［解答］1. Wafer Acceptance Test, 晶片允收測試

2. Electrical test v.s. physical check

3. DC characteristics of IC circuit v.s. AC characteristics

4. The acceptance test v.s. monitor

11. 請以最重要的十步驟說明半導體製程的順序與內容

［解答］1. Zero Layer (零層)

2. Well Formation (井形成)

3. Active Region Definition (作用區定義)

4. Device Isolation & Adjustment (元件電性隔絕與參數調整)

5. Gate Stack (閘極層疊)

6. LDD & S/D Engineering (淡參雜及源/汲極工程)

7. ILD (Inter-Layer Dielectric) & Contact (介層介電質與接觸點)

8. Metal (金屬層)

9. IMD (Inter-Metal Dielectric) & VIA (金屬介層介電質與VIA)

10. Passivation (保護層)

Si-su

PASSIVATION

IMD-1 (VIA-1)

ILD (CONTACT)

FIELD OX

METAL-2

METAL-1

BONDING PAD

N/P WELL

12. 試說明 Ford-8D 的工程報告格式各要項及其內容。

答: D1: Use Team Approach

D2: Describe The Problem Specify the customer problem by identifying in quantifiable terms the who, what,

when, where, why, how, how many (5W2H) for the problem.

D3: Implement and Verify Containment Define the implement containment actions to isolate the effect of problem from any

internal/external customer until corrective action is implemented. Verify the

effectiveness of the containment action.

D4: Identify The Problem Identify all potential causes which could explain why the problem occurred. Isolate and

verify the root cause by testing each potential cause against the problem description and

test data. Identify alternative corrective actions to eliminate root cause.

D5: Verify Corrective Actions Through pre-production test programs quantitatively confirm that the selected corrective

actions will resolve the problem for the customer, and will not cause undesirable side

effects. Define contingency actions, if necessary, based on risk assessment.

D6: Implement Permanent Corrective Actions Define and implement the best permanent corrective actions. Choose on-going

controls to ensure the root cause is eliminated. Once in production, monitor the

long-term effects and implement contingency actions, if necessary. Must include

implementation dates.

D7: Prevent Recurrence Modify the management systems, operating systems, practices, and procedures to

prevent recurrence of this and all similar problems.

D8: Check and Congratulate The Team Recognize the corrective efforts of the team.

13. 請說明平面顯示器發展驅勢與市場需求及重點技術規劃各為何 ? 。

[答]

1. 驅勢為:無線(Wireless), 可視訊，大型化，可攜帶。

2. 市場需求: 輕、不易碎(堅固耐用) 、高畫質、省電、低價。

3. 重點技術規劃:高性能鮮示 (高發光效能) 、軟性可橈性、低電壓低溫製程

14. 請說明LCD平面顯示器之優缺點。

[答]

優點:

1. 低耗電量

2. 無輻射危險

3. 平面直角顯示

4. 影像穩定不閃爍

缺點

1. 背光模組。

2. 低光線利用效率5%左右。

3. 低轉換時間。

4. 有鬼影。

15. 請說明LCD平面顯示器之原理

[答] 而LCD的構造包括有兩塊玻璃片，玻璃片之間形成一個小隙，小隙則填滿一種特別

的液晶體物料，這種液晶體物料可透過電極而改變偏光的特性。而為使LCD能顯

示影像，許多並列的導體放置在兩塊玻璃片的內部，一樣的道理，頂部和底部的

導體排列互成90度，每一個交點便成為一個單元，透過訊號輸入至每一單元，便

能控制影像的顯示，要達至彩色影像顯示。

而其顯像原理是將液晶材料置於兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導電玻璃間，液晶

分子會依配向膜的細溝槽方向依序旋轉排列，如果電場未形成，光線會順利的從

偏光板射入，依液晶分子旋轉其行進方向，然後從另一邊射出。如果在兩片導電

玻璃通電之後，兩片玻璃間會造成電場，進而影響其間液晶分子的排列，使其分

子棒進行扭轉，光線便無法穿透，進而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現象，

叫做LCD平面顯示器之原理。

單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形（或稱黑白），並沒有辦法做到色彩

的變化。

STN液晶顯示器牽涉液晶材料的關係，以及光線的干涉現象，因此顯示的色調都以淡

綠色與橘色為主。但如果在傳統單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片（color filter），

並將單色顯示矩陣之任一像素（pixel）分成三個子像素（sub-pixel），分別透過彩色

濾光片顯示紅、綠、藍三原色，再經由三原色比例之調和，也可以顯示出全彩模式的

色彩。

16. 分析三種備用電力之優缺點比較

答:

17. 太陽能電池的結構為何 ? 製作步驟為何 ?

答:

太陽能電池(solar cell) 是由很多層的材料所組成（上圖所示）

1.正面電極（front contact）：此部份搜集太陽能電池所產生的電流，電

極的材料通常是用銅，然後在表面上鍍一層鍚，電極的面積如果太大，就

會減收太陽能電池的有效照光面積，若太小，其阻抗的損失會變大。正面

的電極就是太陽能電池的負極（即藍色那一面）。

2.反反射電鍍（antireflective coating;150mm 厚）：這一層電鍍，是要使

得光不要因為反射而照成光的損失，若沒有這一層的電鍍，矽晶元大概會

反射掉三分之一的光，也就是說，太陽能電池的能量就會少於三分之一。

這一層薄薄的電鍍，是為了減少它的反射損失在百分之五以下，實際上，

若做得好，可以使它的反射損失降到百分之二以下。

1.1.陰天陰天

2.2.面積面積

1.1.自然能源自然能源

2.2.保養費低保養費低

3.3.平常可用減少對市電平常可用減少對市電依賴依賴

4.4.壽命長壽命長

太陽能太陽能

1.1.無風或風力不足無風或風力不足

2.2.噪音噪音

3.3.面積面積

4.4.壽命短壽命短

自然能源自然能源

平常可用減少對市電依平常可用減少對市電依賴賴

風力風力

1.1.重量不輕重量不輕

2.2.靠油發電危險靠油發電危險

3.3.噪音噪音

4.4.保護高且需轉人保護高且需轉人


1.1.體積小體積小

2.2.電力大電力大

柴油引擎柴油引擎

缺點缺點優點優點

1.1.陰天陰天

2.2.面積面積

1.1.自然能源自然能源

2.2.保養費低保養費低

3.3.平常可用減少對市電平常可用減少對市電依賴依賴

4.4.壽命長壽命長

太陽能太陽能

1.1.無風或風力不足無風或風力不足

2.2.噪音噪音

3.3.面積面積


自然能源自然能源

平常可用減少對市電依平常可用減少對市電依賴賴

風力風力

1.1.重量不輕重量不輕

2.2.靠油發電危險靠油發電危險

3.3.噪音噪音

4.4.保護高且需轉人保護高且需轉人


1.1.體積小體積小

2.2.電力大電力大

柴油引擎柴油引擎

缺點缺點優點優點

3.粗紋化：通常為了提高電池的效力，在電池的表面，會把它蝕刻成金字

塔狀或角錐狀的顆粒，這樣的處理可使得電池留住某些原本要反射掉的太

陽光。

4.N 型矽（300mm 厚）：矽晶片內摻雜磷，這是太陽能電池的負極。

5.P-N 接面：即為 N 型矽及 P 型矽接觸的地方，也有人稱之『空乏區

（Depletion Zone）』。

6.P 型矽（250,000mm 厚）：矽晶片內摻雜硼，此為太陽能電池的正極。

7.背面電極：在太陽能電池的背面，所裝在金屬電極，此處是電子進入太陽

能電池的地方，也就是太陽能電池的正極。

18. 試說明LCD與CRT顯示器比較

答:

多使用桌面，使所剩之使用空間較小。大多運用於訊號和動畫的展示。

主要考慮點是在較小的使用空間中架設展示應用，但後來演變為大眾桌面顯示器的選擇。在很多的展覽應用上，出現了先選擇使用LCD顯示器，而不在考慮使用CRT顯示器。

應用層面

主要的是類比式介面；未來也可能會有數位式介面的產品。

數位式。但大多數液晶顯示器還是以類比方式製作，才能相容於當前系統所使用類比式的視訊卡即插即現。

顯示介面

輻射和電磁干擾是一直存在，但干擾和輻射值均依循安全的規定和標準。

電源用量低，比傳統CRT顯示器的耗電量少70%。正常工作時的耗電量和閱讀用燈一樣。

電源消耗和放射物質

極良好的可視角度。可視角度隨著技術不繼地改良，而得到很大的提昇。目前動態矩陣液晶顯示器可視角度只為120度或更寬。

可視角度

沒有色階限制，色彩的多寡取決於系統設定及顯示卡。

色階多已達到全彩的標準。色階

為求畫面不閃爍，建議重生率定於75Hz以上。

最佳更新頻率在60Hz，由於畫面不受更新頻率影響而閃爍，故只要在顯示器的規格內即可。

重生率

沒有固定的解析度，只要在顯示器的規格內，都可以直接顯示出來。

固定的解析度，在自有的解析度下可得到最佳的畫質，但在其他的解析度下仍可以擴展或壓縮的方式，將畫面顯示出來

不同的尺寸有其解析度

CRT顯示器LCD顯示器不同點

多使用桌面，使所剩之使用空間較小。大多運用於訊號和動畫的展示。

主要考慮點是在較小的使用空間中架設展示應用，但後來演變為大眾桌面顯示器的選擇。在很多的展覽應用上，出現了先選擇使用LCD顯示器，而不在考慮使用CRT顯示器。

應用層面

主要的是類比式介面；未來也可能會有數位式介面的產品。

數位式。但大多數液晶顯示器還是以類比方式製作，才能相容於當前系統所使用類比式的視訊卡即插即現。

顯示介面

輻射和電磁干擾是一直存在，但干擾和輻射值均依循安全的規定和標準。

電源用量低，比傳統CRT顯示器的耗電量少70%。正常工作時的耗電量和閱讀用燈一樣。

電源消耗和放射物質

極良好的可視角度。可視角度隨著技術不繼地改良，而得到很大的提昇。目前動態矩陣液晶顯示器可視角度只為120度或更寬。

可視角度

沒有色階限制，色彩的多寡取決於系統設定及顯示卡。

色階多已達到全彩的標準。色階

為求畫面不閃爍，建議重生率定於75Hz以上。

最佳更新頻率在60Hz，由於畫面不受更新頻率影響而閃爍，故只要在顯示器的規格內即可。

重生率

沒有固定的解析度，只要在顯示器的規格內，都可以直接顯示出來。

固定的解析度，在自有的解析度下可得到最佳的畫質，但在其他的解析度下仍可以擴展或壓縮的方式，將畫面顯示出來

不同的尺寸有其解析度

CRT顯示器LCD顯示器不同點

19. 請說明LCD平面顯示器之優缺點。

[答]

優點:

5. 低耗電量

6. 無輻射危險

7. 平面直角顯示

8. 影像穩定不閃爍

缺點

17. 背光模組。

18. 低光線利用效率5%左右。

19. 低轉換時間。

20. 有鬼影。

20. 請說明LCD平面顯示器產品生命周期與價格現況。

[答] LCD顯示器仍處於產品週期的起始位置，藉助新技術的發表及消費者的需求，LCD

顯示器價格下降的速度比CRT快，但直到現今，仍有一些因素影響LCD價格降至CRT的水

準，LCD液晶板是LCD顯示器內最為昂貴的元件，佔總成本的80%以上。

為何LCD液晶板如此昂貴?有幾個因素決定LCD液晶板的價格，如：產量、裝配廠、生產

設備及研發費用...等等。現今LCD產量尚不足以分攤成本。再者，產品良率的改善仍

有相當的空間，到目前為止，並非所有產出的液晶板都能夠達到被販售及使用的標準。

在過去，液晶板的良率更低，甚至有50%以上的不良率。

21. 請說明LCD平面顯示器斷面結構與組成。

[答]:

彩色濾光片

上偏光片

下偏光片

光源

TFT基板

液晶

彩色濾光片

上偏光片

下偏光片

光源

TFT基板

液晶

彩色濾光片

上偏光片

下偏光片

光源

TFT基板

液晶

22. 請說明 TFT array (thin film transistor, 薄膜電晶體) 控制每一劃素的原理

[答]: CLC約 0.1pF ~ 0.3pF, 於掃描時無法單獨維持穩定電壓值, 故必須外加一

儲存電容Cs , 以保持畫面穩定(不閃爍)。

TFT-array 之斷面結構如下圖所示

(1) Vgs > Vth，通道將感應出電子，源極(S)與汲極(D)導通。

Row

Drivers

Column Driver

CLCCs

Row

Drivers

Column Driver

CLCCs

Row

Drivers

Column Driver

CLCCs

Back Channel EtchedBack Channel EtchedBack Channel EtchedBack Channel Etched

(2) Vgs < Vth，則通道感應不出電子，通道形成斷路。

a-Si:H TFT 可視為一種固態開關。

而每一畫素(Pixal)中TFT-array與電容結構如下

22. 請說明TFT-LCD TV未來的應用

[答]:

R BG

TFT Source

Gate

Drain

Gate line(Scan line)

Source line(Data line)

R BG

TFT Source

Gate

Drain

Gate line(Scan line)

Source line(Data line)

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一、說明題: (20 points per...

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