半導體科技ㄧ點都不難：有趣實驗帶你認識生活中的半導體（第1版）

推薦序──蔣尚義 先生
很榮幸地向大家介紹《半導體科技一點都不難》，施惠老師其實是內子的大姊，我們自年輕至今相識多年，我一直非常認同施老師一生為推動臺灣自然科學實驗教學所做的努力，因此「內舉不避親」作序推薦。
這本書除了以深入淺出的方式，幫助大家輕鬆認識現代最重要的生活科技之外，也是第一本可以讓師生們從中教學相長，學會「自然科學理論和實際生活結合」的書，更是一本非常好的自然科學實驗參考書。自然科學涉及廣泛，舉凡研究物質世界的一切「因為」、「所以」，探究過程中要針對問題大膽假設，還須小心地以實驗求證。
我從小學到大學唸書的時候，學校就從不重視自然科學的實驗，因為聯考不考。日後在國外唸研究所時，研究論文卻需要以實驗為基礎，這才開始體驗到實驗的重要性。自然科學原本就是歸納自然現象，再整理出一套原則來解釋這些現象的。若是不懂得做實驗，就只能把別人歸納出的原則，以邏輯推理的方式導出另一套希望是有說服力的結論，這種方式能發揮的空間很受限制。只有自己動手做別人沒有做過的實驗，纔能有實際的體驗、深刻的認知、靈活的探討、以及獨特的貢獻。在我開始著手論文實驗時，發現國外的學生在做實驗方面，思路和操作都比我靈活得多，更讓我深深體會到實驗的重要性。
施老師的這本書正可以補足我自己學習過程中欠缺的地方。此外隨著年齡增長，我也體會到自己使用電腦和智慧手機的能力不如年輕人，最大的原因是他們從小就開始接觸、探索、和使用。早期的經驗與磨練造就了日後的得心應手，這也再次應證了從小培養實驗能力的功效。
我的一輩子職業生涯都是在半導體領域，因而對這行業難免有一份情感，總希望有更多優秀的年輕人投入這領域。這本書正是可以幫助學生從小就開始認識半導體，大學以後就容易有興趣進入這行業。據我所知，施老師一生從事教育工作，特別是著重於自然科學的實驗教育。而她針對生活中半導體的這部分研究，卻是在臺灣應用材料公司的資助下完成的，感謝臺灣應材做了一件對業界很有幫助的事。
半導體元件能夠在電子產品中扮演那麼關鍵性的角色，主要是它有幾個特性：可以控制單向電流、可以當開關和能夠放大信號。此外加上它還有光電能轉換的特性，可以做出兩極發光體（LED）和太陽能電池。施老師在這本書中所介紹的實驗，涵蓋了所有這幾項重要特性，很完整的讓學生對半導體最基本的特性深深植入心中。施老師的實驗設計都和日常生活所需有關，易學易懂，需要的材料都可以輕易取得，費用不高，接線也容易，是很好的科普教材。以「電晶體音樂IC實驗」為例，施老師用簡單普遍又廉價的元件，以最容易懂的擴音效果，很清楚的顯示出電晶體具有放大信號的重要功能。
施老師的教學生涯一直是以科學實驗為主，這是我個人接受的教育過程中最應該加強的部分。這領域可供參考的教材不多，她的實驗差不多全是她自己設計出來的，有她獨特的風格，又能和日常生活接軌，簡單易懂。印象中每次和她見面時，話題都離不開科學實驗。我們討論過光的折射、波的干涉、星球的運行軌道，充份感受到她對自然現象的熱愛。半導體是門特別的科技，原本不是她的專長，但有天她告訴我，她接了臺灣應材的推廣半導體項目。我從介紹她閱讀半導體入門的書籍開始，直到她設計出一系列的實驗為止，原本如果她開口要求，我應該可以輕易提供一些幫助；但事實上我卻只看到她的獨立認真和賣力執著的過程，為此相當敬佩與感動！我曾經感慨的對內子說：羨慕大姊一輩子為理想和興趣而努力，而我卻只是為著生活和職責而工作。
我很榮幸的向大家介紹，這本書除了以實驗的方式有效地幫助大家認識生活中的半導體之外，更是一本可以扶植學生「自然科學理論和實際生活結合」能力的好書。

蔣尚義
前台積電共同營運長、鴻海集團半導體策略長，2024年


推薦序──郭重吉 先生
半導體技術在現代科技應用、產業發展和社會進步中扮演著至關重要的角色。無論是智能手機、電腦，還是自動駕駛汽車和人工智能系統，這些高科技產品無一不依賴於半導體、電晶體、和積體電路等的應用。半導體產業的蓬勃發展，不僅推動了電子產品的性能提升和成本下降，還催生了無數新興產業，為經濟增長注入了強大動力。同時，半導體技術的進步也極大地改變了我們的生活方式，提高了社會生產力，促進了全球範圍內的科技交流與合作。
我和施教授相識已久，她在推展科學教育方面的投入和奉獻，給我留下了深刻的印象。多年來我有幸見證她在這一領域的不懈努力與持續創新。她不僅在課堂上引導學生進行科學探究，還積極參與師資培訓，致力於教科書的撰寫和科普推廣的工作。施教授多年來在科學教育領域的深耕，不僅為她帶來了豐富的教學經驗，也養成了她勤奮好學以及熱愛科學探究和動手實驗的習慣。她將這種親身的學習經驗貫徹到本書的撰寫。
《半導體科技一點都不難》一書，以電晶體為核心，將半導體科技與科學實驗設計交織，構建出一條通往體認現代科技世界的橋樑。不同於介紹最尖端科技產品的書籍，施教授選擇從探索科學現象、原理和科技發展史的角度出發，帶領讀者一步步認識半導體的基本概念、研發過程及其廣泛應用。本書每一章節的構思和鋪陳，皆經過悉心設計，運用合適的學習理論和教學策略，不僅能夠引發學習者的興趣、疑問和好奇，鼓勵同學之間的合作與討論，更能幫助讀者對自己的學習加以反思，在已有的基礎上獲得新的理解與啟發。
本書內容深入淺出，適合國小高年級至社會各界人士閱讀。無論是對科學懷有濃厚興趣的學生，中小學教師，還是希望拓展知識的成人，都能從書中發現到一些身邊習以為常的器具，其實背後隱藏著許多甚具啟發與樂趣的細節。施教授以平易近人的語言，結合實際生活中的例子，使得複雜的科學理論和科技發明變得生動有趣，易於理解。這種寫作風格，不僅讓科技知識和產品變得與人親近，也激發了讀者對科學探究和技術應用的興趣與熱情。
總之，《半導體科技一點都不難》是一本兼具知識性與趣味性的好書。雖然書中探討的對象有其限制，但有鑑於跨領域學習在當今社會變得愈加重要，技術、工程、藝術、數學、科學等領域的綜合學習，不僅能夠培養學生表達、溝通、合作等多方面的能力，還能激發他們的創造力和解決問題的能力。藉由本書，盼能引發讀者進一步對跨領域學習的興趣與關注。

郭重吉
前國科會科教處處長、國立彰化師範大學 榮譽教授
2024年


推薦序──陳念波 先生
早在認識施教授以前，我已經認識了她的女兒，因為是高中同學三年。也認識了她的兒子，因為他是年輕幾屆的國中部學弟，在後來的校友會理監事中，共同為了母校而貢獻所長。
有一次的校友會理監事會議與學弟閒聊時，得知施教授在給中小學老師開課教電子學、半導體的科普知識。剛好當時我與幾位教授合著了一本半導體方面簡介的書，我負責的章節恰巧是半導體的基礎知識。於是就央請學弟將該書轉交給施教授，希望它能有所幫助，可以做為施教授教學時的參考資料。
過了幾年，這學期初施教授透過LINE來信表達，她將最近幾年的教材寫成一本書，希望對於這本書的文稿我能給一些意見。對於這十幾章的文稿，我打開其中一篇看了一下，就發現這是寶藏，一定要從頭到尾仔細地看，才不會辜負施教授的心意。在學期繁忙的節奏中，一直找不到合適的時間專心閱讀。於是拖到學期結束，即將過年。對施教授非常不好意思。
為什麼說這本書是寶藏呢？因為施教授是教學的專家，然後她自己以身作則，將電子學、半導體等入門知識從頭學起，然後轉化成一個又一個有趣的實作例子。讀者不需要有相關的先備知識，就能一窺電子學、半導體領域的知識寶山。
更難能可貴的是，施教授所用的例子，完全是日常生活中唾手可得的家電用品或玩具。所以，這本書也可以當做是解釋玩具、家電運作原理的小百科。我可以作證，我教學現場遇到的電機領域的大學生，也不見得瞭解這些「家電物理」。這並不表示這些原理很難懂，而是缺乏像這樣的書能夠帶領讀者一步一步地、卻又簡單易懂地解釋與分析。
書中的這些例子，也是施教授在教學現場實作的紀錄，並不是天馬行空的範例。所以讀者可以放心地把施教授當做導遊，引領讀者在電子學、半導體知識國度裏遨遊不迷路。
在科技發展的先端，相關知識發展的速度永遠快過書本的出版，所以用書來介紹尖端知識，常常出版沒有多久，內容就過時了。但是基礎、入門知識變動不大，寫書來傳播知識，是最佳的管道。理應有不少這樣的書。但是實際上，這樣的書，非常少；寫得讓讀者容易理解的，更是鳳毛麟角。現在讀者手上的，正是這樣的一本書。期待讀者也像筆者一樣，有著發現寶藏的雀躍心情。

陳念波
元智大學電機系助理教授，2024年

推薦序──蔣尚義 先生
很榮幸地向大家介紹《半導體科技一點都不難》，施惠老師其實是內子的大姊，我們自年輕至今相識多年，我一直非常認同施老師一生為推動臺灣自然科學實驗教學所做的努力，因此「內舉不避親」作序推薦。
這本書除了以深入淺出的方式，幫助大家輕鬆認識現代最重要的生活科技之外，也是第一本可以讓師生們從中教學相長，學會「自然科學理論和實際生活結合」的書，更是一本非常好的自然科學實驗參考書。自然科學涉及廣泛，舉凡研究物質世界的一切「因為」、「所以」，探究過程中要針對問題大膽假設，還須小心地以實驗求證...

寫在書前
我們臺灣今日最重要的產業，就是以晶圓代工領頭的半導體大軍，當年的執政高層明見千里，克服萬難㽮築護國神山，歷經四十餘年銳意進取、屨創新猷，如今已經獨居全球領導地位，更是國家的經濟命脈所繫。
然而歷史告訴我們：產業生命有其週期，要想持盈保泰必須投入大量資源不斷研發，以期與時俱進、日新又新。
眾所皆知科學園區的工作待遇優渥，是無數理工科學子就業的首選目標，過去臺灣的高等教育，在這方面的人才培育可說是不遺餘力，也著實獲致豐碩的成果，然而放眼未來，這種只重視產發專業人才的培育方式，是否足夠應付全球日益高度E化的挑戰？
臺灣被媒體形容為矽晶之島，各個科技先進國家提到臺灣，幾乎都跟晶圓代工畫上等號，可是我們的同胞普遍不認識半導體，容我點出這其中隱藏的危機：如果沒有做好認識半導體的全民教育，在不久的將來，勢必面臨產業多元化所需的人資斷層。
半導體電子時代的來臨，使人類文明呈現跳躍式的快速成長與改變，我們何其有幸生逢其時見證此事，感恩之餘，身為一名投身科學教育半世紀的老兵，反思自己還能貢獻什麼？從新竹教育大學屆齡退休之後，我並沒有放下教學和研究的工作，發現了半導體基礎知識入門的重要性，以臺灣的現狀而論，只有在大學的相關科系才開設正式課程，而在諸多先進國家，卻早已向下紮根到中小學課程之中。
有鑑於此，就展開了研究調查，發現這種課程和STEAM教育最為契合，再藉由自己所擅長的「教材與教法」切入，將電子學和半導體從頭學習起，發現只有這樣，才能夠把這一門看似高深的專業學問，科普給社會大眾，並且能夠帶進校園。
我們的科學種子教師營，利用暑假向國中小教師們介紹生活中的半導體，同時也研習國民中小學自然與生活科技的銜接課程。由2012年開始到2019年歷經八年。這樣的研習課程由生命樹協會主辦；新竹科學園區臺灣應用材料公司贊助；FM96.7環宇廣播電臺、新竹市虎林國小協辦。
但願臺灣人引以自豪的，不但有這樣的明星產業，我們的孩子也能夠認識這一門明星學科的科普知識，讓矽晶之島這塊「晶字招牌」永續發亮發光。
為成此書，我以高齡挑戰重新學習，將自己歸零為一名電學素人，努力搜集坊間能買到的實體書籍，大量閱讀之後建立先備知識，然後上網反復跟隨相關開放課程，於重點及不甚明白處皆勤加筆記，才能藉此具體而有效率地請教專家，務必力求「知之為知之」。
多年科學教育工作，讓我養成了一個工作的好習慣，只要將科學理論理解之後，立即開起實驗模式來檢驗以深化學習。初步預定以「生活中的半導體」為探究目標，經由課程設計，先落實到師資培育課程之中，再推廣到中小學的教室裡，進行多年試教之後，得到多方肯定的成果，給我勇氣和信心彙整付梓，希望能夠拋磚引玉，為全民科普作出微薄貢獻。
科技發展日新月異，本書的主旨不在於介紹最尖端的科技產品（這些資訊在網路上信手搜尋俯拾即是，待得書成往往已是昨日黃花），而在正本溯源，以電晶體為本書主軸，搭配半導體科技與科學實驗設計，經緯交織搭建起通往現今世界的知識橋樑。「主動探究」是精進學習的不變原則，而「深入淺出」則是我們信奉遵行的寫作立場，希望從國小高年級開始，直到對社會普羅大眾都能做出推廣半導體相關知識的一點貢獻。
書中旁徵博引，資料繁雜難免，舉凡電路分析等專業內容，如果一時造成閱讀上的負擔，建議讀者不妨先行略過，等到通篇完讀後，覺得有需要時再回頭參考印證。

作者謹識 2024年 於臺灣 新竹

寫在書前
我們臺灣今日最重要的產業，就是以晶圓代工領頭的半導體大軍，當年的執政高層明見千里，克服萬難㽮築護國神山，歷經四十餘年銳意進取、屨創新猷，如今已經獨居全球領導地位，更是國家的經濟命脈所繫。
然而歷史告訴我們：產業生命有其週期，要想持盈保泰必須投入大量資源不斷研發，以期與時俱進、日新又新。
眾所皆知科學園區的工作待遇優渥，是無數理工科學子就業的首選目標，過去臺灣的高等教育，在這方面的人才培育可說是不遺餘力，也著實獲致豐碩的成果，然而放眼未來，這種只重視產發專業人才的培育方式，是否足夠應付全球...

第一章　半導體科技史
第一節　電子的發現
第二節　真空管電子時代
第三節　半導體電子時代—簡介半導體
第四節　半導體電子時代的科學史
第五節　臺灣的半導體產業沿革

第二章　直流、交流與整流
第一節　檢視直流電、交流電和整流的定義
第二節　簡介二極體
第三節　直流電、交流電和整流的實驗測試
第四節　二極體的橋式整流
第五節　吹風機中的橋式整流

第三章　由LED探索色光的分散與疊加
第一節　會變色的LED小夜燈
第二節　一顆三色疊加的七彩LED燈珠
第三節　嘗試設計一盞我們自己的LED神燈
第四節　簡介LED發光二極體

第四章　用偏光片體驗偏振光
第一節　偏光立體眼鏡
第二節　偏光片與偏振光
第三節　偏光片的多元驗證實驗
第四節　設計兩種膠帶偏光玩具
第五節　偏光片與偏振光的生活科技

第五章　順藤摸瓜　一探液晶顯示器
第一節　生活中的液晶顯示器
第二節　液晶顯示器裡的基本構造與功能
第三節　液晶顯示器的畫素單位
第四節　螢幕顯示器的演變
第五節　初探液晶顯示器的學習歷程

第六章　電晶體
第一節　由真空管說起
第二節　發現半導體p-n接面二極體
第三節　點觸式電晶體
第四節　雙極接面電晶體
第五節　金氧半場效電晶體
第六節　晶圓
第七節　「先進封裝」CoWoS的技術與AI

第七章　電晶體實驗
第一節　動手實作分析電晶體的電路
第二節　從實驗探究電晶體的功能
第三節　由「聲音」檢視電晶體可放大訊號
第四節　「後設認知」的理論與實踐

第八章　新一代的人工照明—LED燈
第一節　LED手電筒
第二節　出口指示燈
第三節　LED的照明

第九章　光控夜燈—光敏電阻應用實例
第一節　由光控小夜燈說起
第二節　探索電路中的光敏電阻與電晶體
第三節　再探電路中的光敏電阻與電晶體
第四節　工程警示燈

第十章　 電磁爐與溫控風扇—熱敏電阻的應用實例
第一節　簡介
第二節　電磁爐
第三節　用溫控風扇模型探索半導體電路

第十一章　簡易電子樂器初探
第一節　石墨可以導電
第二節　電子樂器的靈魂　電晶體和IC
第三節　電子樂器的電磁喇叭和麥克風

第十二章　紅外線感應偵測器
第一節　屋內玄關天花板上的感應器
第二節　紅外線電風扇與光電半導體
第三節　健康的守護者　自動酒精噴霧器

第十三章　光電煙霧偵測器
第一節　光電煙霧偵測器的內部構造
第二節　光電煙霧偵測器的光電耦合
第三節　一般住宅用光電式火災煙霧偵測器

第十四章　太陽能電池
第一節　試用太陽能電池
第二節　太陽能電池的基本科學原理
第三節　太陽能電池與四季的日升日落
第四節　深入探索「太陽追蹤器實體模型」
第五節　學習心得、願景與後續活動

第十五章　電感升壓電路中的電晶體
第一節　電磁感應線圈中的電感器
第二節　「焦耳小偷電路」與電晶體
第三節　焦耳小偷電路的DIY

第十六章　電蚊拍與半導體
第一節　由電蚊拍簡探一般的變壓器
第二節　電蚊拍裡的電晶體當了電子開關
第三節　焦耳小偷電路的升級版在電蚊拍裡

第十七章　踢躂舞公仔中的半導體
第一節　手機充電器的回收再利用
第二節　踢躂舞公仔的結構和電路分析

第十八章　石英鐘與積體電路
第一節　分析時鐘的鐘面
第二節　探索石英鐘裡的馬達
第三節　石英鐘裡的電流和電路
第四節　積體電路與石英晶體
第五節　壓電和反壓電實驗
第六節　石英鐘裡的齒輪組

後記—我與半導體的奇妙緣份

第一章　半導體科技史
第一節　電子的發現
第二節　真空管電子時代
第三節　半導體電子時代—簡介半導體
第四節　半導體電子時代的科學史
第五節　臺灣的半導體產業沿革

第二章　直流、交流與整流
第一節　檢視直流電、交流電和整流的定義
第二節　簡介二極體
第三節　直流電、交流電和整流的實驗測試
第四節　二極體的橋式整流
第五節　吹風機中的橋式整流

第三章　由LED探索色光的分散與疊加
第一節　會變色的LED小夜燈
第二節　一顆三色疊加的七彩LED燈珠
第三節　嘗試設計一盞我們自己的LED神燈
...