用來處理數位訊號的積體電路稱為「數位積體電路（Digital IC）」，目前都是以「矽晶圓」製造，主要是用來處理 0 與 1 的加減乘除運算與儲存工作，其中處理器包括：中央處理器（CPU）、數位訊號處理器（DSP）、微處理器（MPU）、微控制器（MCU）等；記憶體包括：靜態隨機存取記憶體（SRAM）、動態隨機存取記憶體（DRAM）等；以及其他處理數位訊號的包括：標準邏輯積體電路（Standard logic IC）、特定應用積體電路（ASIC）等，台灣主要的數位積體電路設計公司包括：聯發（1459-TW）科技（2454-TW）、聯詠科技（3034-TW）、瑞昱（2379-TW）半導體、群聯電子（8299-TW）等公司。

這裡我們不討論記憶體，只討論用來處理 0 與 1 的加減乘除運算工作的積體電路，如＜圖一＞所示，可以分為處理器（Processor）、半客製化積體電路（Semi custom IC）、全客製化積體電路（Full custom IC）三大類：

➤處理器（Processor）：是指可以利用程式決定運算的內容與結果，這裡的程式是指一般軟體工程師所撰寫的軟體程式（例如：C 語言、Java 語言），簡單的說，就是程式設計師寫什麼程式它就做什麼事，功能完全沒有固定，功能沒有固定代表沒有「客製化」，因此我習慣把它稱為「通用積體電路（General purpose IC）」或「無客製化積體電路（Non custom IC）」。

➤半客製化積體電路（Semi custom IC）：是指可以利用程式決定「部分」運算的內容與結果，這裡的程式又稱為「硬體描述語言（例如：Verilog、VHDL）」，一般都是由電子電機工程師選寫，因為功能部分沒有固定，但是部分是固定的（客製化），因此稱為「半客製化（Semi custom）」。

➤全客製化積體電路（Full custom IC）：是指功能完全固定，針對「特定的應用需要」或「特定的客戶需要」而設計出來的積體電路（IC），又稱為「特定應用積體電路（ASIC：Application Specific Integrated Circuit）」。

處理器的種類

中央處理器（CPU：Central Processing Unit）

中央處理器（CPU）屬於「複雜指令集處理器（CISC）」，是利用「加法」為主來進行所有的運算工作，可以在一個時脈週期內進行一次加法運算，而乘法則必須使用「數個加法運算」才能達成。舉例來說：假設要花費 10 個加法運算才能完成 1 個乘法運算，當 CPU 的工作頻率為 1GHz（1G = 10 億），則使用這種 CPU 每秒鐘可以完成 10 億次「加法運算」，但是每秒鐘只能完成 1 億次「乘法運算」。CPU的代表廠商包括：英特爾（Intel, INTC-US）、超微半導體（AMD, AMD-US）等。

CPU 的特色包括：工作頻率高、運算功能強、CMOS 數目多、晶片面積大、成本高、耗電量大，目前大多應用在個人電腦、筆記型電腦、工作站、伺服器等較高階的產品上，這些產品另外還有一個共同的特色，由於 CPU 耗電量大產生廢熱，因此大部分必須使用風扇來散熱。

微處理器（MPU：Micro Processing Unit）

微處理器（MPU）屬於「精簡指令集處理器（RISC）」，基本上也是利用「加法」為主來進行所有的運算工作，可以在一個時脈週期內進行一次加法運算，而乘法則必須使用「數個加法運算」才能達成。MPU 的代表廠商包括：安謀國際（ARM）或 MIPS 公司等，這兩家公司本身不賣處理器，只授權處理器的設計圖。

➤ARM 處理器：由 ARM 公司所設計，廣泛地應用在汽車電子、多媒體、影音娛樂等工業或消費性電子產品上做為「應用處理器（AP：Application Processor）」，著名的產品型號包括：ARM7、ARM9、AMR11、Cortex-A8/A9/A15 等。

➤MIPS 處理器：由 MIPS 公司所設計，大多應用在網路通訊等電子產品上，例如：ADSL 數據機、纜線數據機（Cable modem）、交換器（Switch）、路由器（Router）、閘道器（Gateway）等，著名的產品型號包括：MIPS32、MIPS64等。

MPU 的特色包括：工作頻率較低、運算功能較差、晶片面積小、CMOS 數目少、成本低、耗電量小，比較適合用來作為「嵌入式處理器（EP）」，這些產品共同的特色就是不能使用風扇，而且對成本的控管比較嚴格。由於半導體製程技術的進步，目前微處理器（MPU）的工作頻率也愈來愈高，和中央處理器（CPU）已經很接近，而智慧型手機、平板電腦的功能也愈來愈接進個人電腦，甚至已經威脅到個人電腦的市場了，在可以預見的未來，MPU 的市場仍然持續成長，但是CPU 的市場則很難成長，甚至已經開始衰退了。

【名詞解釋】嵌入式系統與嵌入式處理器

➤嵌入式系統（Embedded system）：完全嵌入在系統內部，專為特定應用而設計的電子產品，根據英國電器工程師協會（UK Institution of Electrical Engineer）的定義，嵌入式系統是控制、監視或輔助設備、機器或用於工廠運作的裝置。

➤嵌入式處理器（EP：Embedded Processor）：上述嵌入式系統的電子產品所使用的處理器我們泛稱為「嵌入式處理器（EP）」。

簡單的說，個人電腦是屬於通用的電腦系統，每一台個人電腦都是安裝 Windows 或 Linux 作業系統，因此可以安裝不同的應用程式而進行不同的功能；嵌入式系統通常使用特別的作業系統，而且只能執行預先設定的工作，例如：銀行的自動櫃員機、航空電子、汽車電子、電信交換機、網路裝置、印表機、影印機、傳真機、計算機、家用電器、醫療裝置等。

數位訊號處理器（DSP：Digital Signal Processor）

數位訊號處理器（DSP）屬於「精簡指令集處理器（RISC）」，它的核心為「乘加器（MAC：Multiply Add Calculator）」，可以在一個時脈週期內進行一次「乘法與加法」運算。舉例來說：假設 DSP 的工作頻率為 1GHz（1G = 10 億），代表每秒鐘可以同時完成 10 億次「乘法與加法運算」。DSP 的代表廠商包括：德州儀器（Texas Instruments, TXN-US）（TI, TXN-US）、亞德諾（ADI, ADI-US）、恩智浦半導體（NXP, NXPI-US）、飛思卡爾（Freescale, 已被 NXP 收購）等。

DSP 的特色包括：工作頻率高、運算功能強、晶片面積大、CMOS 數目多、成本高、耗電量大，一般來說 DSP 由於一個時脈週期內可以進行一次乘法與加法運算，因此工作頻率不需要像 CPU 那麼高，例如：Intel 的 CPU 工作頻率可以高達 4GHz，但是 TI 的 DSP 工作頻率只需要 2GHz，雖然看起來 DSP 好像比 CPU 或 MPU 功能強大，但是使用到的 CMOS 數目很多，通常價格並不便宜。

DSP 適合用來進行各種乘加運算（SOP：Sum of Products），例如：有限脈衝響應濾波運算（FIR：Finite Impulse Response）、無限脈衝響應濾波運算（IIR：Infinite Impulse Response）、離散傅立葉轉換（DFT：Discrete Fourier Transform）、離散餘弦轉換（DCT：Discrete Cosine Transform）、點積運算（Dot product）、卷積運算（Convolution），以及矩陣多項式的求值運算等。

大家可能會好奇，這些運算都用在那些地方呢？基本上多媒體的影音壓縮技術（MP3、JPEG、MPEG 等）、語音辨識（Voice recognition）、噪音去除（Noise reduction）、影像辨識（Pattern recognition）、通訊系統（3G WCDMA/4G OFDM）等訊號處理演算法大部分都是乘加運算（SOP），因此使用 DSP 比 CPU 或 MPU 更合適，假設要花費 5 個加法運算才能完成 1 個乘法運算，則在進行乘加運算（SOP）的時候 DSP 的效能是 CPU 或 MPU 的5倍。

圖形處理器（GPU：Graphic Processing Unit）

圖形處理器（GPU）是專門用來處理個人電腦、伺服器、遊戲機甚至智慧型手機上的影像運算工作，主要就是把 3D 的物件表現在平面的顯示器上，可以分擔中央處理器（CPU）或微處理器（MPU）的影像處理工作。GPU的代表廠商包括：輝達（Nvidia, NVDA-US）、超微半導體等，由於嵌入式系統的發展，許多處理器廠商開始將 GPU 內建在處理器內變成系統單晶片（SoC），例如：安謀國際將 GPU 內建在其 MPU 中，型號為 Mali-300/400/450/T604/T642 等。

圖形處理器（GPU）在二十年前曾經是所有電腦的顯示器必備的處理器，後來由於圖形處理器的功能慢慢被整合到英特爾的晶片組內，使得 GPU 的需求量大幅下降，曾經讓銷售 GPU 的廠商經營困難。近年來人工智慧（AI：Artificial Intelligence）興起，科學家們發現人工智慧的演算法使用 GPU 運算的效能比 CPU 高出大約 100 倍以上，因此開始大量使用 GPU 進行人工智慧運算，使得銷售 GPU 的廠商重新找到殺手級的應用而前景看好，由於人工智慧的演算法目前都是由雲端的「伺服器（Server）」來處理，因此 GPU 主要是銷售給製作伺服器的廠商。

【概念說明】處理器的核心（Core）

目前 Intel 的 CPU 常見的最多做到 8 核心，但是 Nvidia 的 GPU 已經做到 5,120 核心（Volta Tesla V100），看起來似乎 Nvidia 的技術大幅領先 Intel，其實不是這樣看的，CPU 的核心比 GPU 的核心複雜很多，簡單的說，我把 CPU 的核心稱為「大核心」，是設計用來做複雜運算功能的；GPU 的核心稱為「小核心」，適合處理簡單、大量、重複的運算工作，就這麼巧，區塊鏈採礦、人工神經網路都符合這三個條件，所以大家拿 GPU 來運算囉！

微控制器（MCU：Micro Control Unit）

微控制器（MCU）屬於「精簡指令集處理器（RISC）」，一般用來稱呼最低階的處理器，基本上也是利用「加法」為主來進行所有的運算工作，可以在一個時脈週期內進行一次加法運算，而乘法則必須使用「數個加法運算」才能達成。MCU 的代表廠商眾多包括：德州儀器、瑞薩（Renesas, 6723-JP）、飛思卡爾（Freescale）、Atmel、Microchop（MCHP-US）、英飛淩（Infineon, IFX-DE）、富士通（Fujitsu, 6702-JP）、恩智浦、意法半導體（STM, STM-US）、三星（Samsung, 005930-KR）等。

MCU 的特色包括：工作頻率低、運算功能差、晶片面積小、CMOS 數目少、成本很低、耗電量很小，應用範圍很廣，例如：電子產品的按鍵控制、鍵盤滑鼠、電子錶、電動牙刷、搖控器、血糖計、血壓計、電錶、煙霧偵測器、馬達控制、車用電子等，幾乎所有的電子產品內都有微控制器。

現場可程式化邏輯陣列（FPGA：Field Programmable Gate Array）

事先由廠商將大部分的邏輯電路設計完成並且製作成積體電路（IC），再賣給 IC 設計公司或系統整合商（SI：System Integrator），由工程師依照需要完成最後的電路連線工作，屬於「半客製化積體電路（Semi custom IC）」，所謂「半客製化」的意思就是這種積體電路已經製作完成了「一半」，至於它具有什麼功能則由 IC 設計公司或系統整合商的工程師來決定，此外與 FPGA 功能類似的還有可程式化邏輯元件（PLD：Programmable Logic Device）、複雜可程式化邏輯元件（CPLD：Complex Programmable Logic Device），如＜圖一＞所示。

FPGA 是由大量的 AND 閘與 OR 閘與電子式可抹除可程式化唯讀記憶體（EEPROM）排列組合而成，IC 設計公司或系統整合商（SI）只要將這種製作好的半客製化積體電路買來，再由工程師依照需要完成最後的電路連線工作，就完成可以銷售或具有特定功能的積體電路（IC）了，因此成本較低可以少量製作。有點類似傳統印刷產業裡的「影印」，因為影印數量少的時候單價較低，如果影印的數量高達幾萬張，就要製版印刷才划算。FPGA 的設計與製造的廠商多為國外大廠，例如：亞爾特（Altera）、賽靈思（Xilinx, XLNX-US）、萊迪斯（Lattice, LSCC-US）等公司，其中 Altera 已經被 Intel 併購。

特定應用積體電路（ASIC：Application Specific Integrated Circuit）

將數位訊號的編碼與解碼、壓縮與解壓縮、區塊鏈採礦、人工神經網路等演算法直接使用電晶體（CMOS）製作成特定功能的積體電路（IC），也就是 IC 設計工程師針對「特定的應用需要」或「特定的客戶需要」而設計出來的積體電路（IC），稱為「特定應用積體電路（ASIC：Application Specific Integrated Circuit）」，英文念做 `esik。ASIC 只能進行固定的數位訊號運算工作，使用者無法使用軟體更改功能，使用上有許多限制，但是由於直接使用電晶體（CMOS）執行運算工作，不需要大量的軟體程式，因此執行效能最高，運算速度最快。

Google （GOOGL-US）公司開發的人工智慧機器學習軟體框架（Software framework）稱為「TensorFlow」，這個軟體框架當然可以使用 CPU 或 GPU 來執行，不過為了再提高效能，Google 公司自行設計了一款「張量處理器（TPU：Tensor Processing Unit）」，雖然他們稱為「處理器」，不過 TPU 其實更像是專門為人工智慧機器學習和 TensorFlow 軟體框架這種「特定應用」而開發的「積體電路」，因此比較像是 ASIC。這樣講大家是不是對 ASIC 有更深的認識了呢？

由於 ASIC 是將數位訊號的編碼與解碼、壓縮與解壓縮、人工智慧等演算法直接使用電晶體（CMOS）製作而成，使用者無法使用軟體更改功能，因此晶片製造商通常只針對數量大的應用才會推出這種產品，例如：比特幣礦工最早使用 Intel 或 AMD 的中央處理器（CPU）產品來挖礦，2013 年礦工開始使用圖形處理器（GPU）、現場可程式化邏輯陣列（FPGA），後來礦工愈來愈多市場需求量大增，開始有廠商推出比特幣採礦專用的特定應用積體電路（ASIC）。

市場上有些積體電路（IC）是「廣泛應用」而非「特定的應用需要」或「特定的客戶需要」，例如：中央處理器（CPU）是由 Intel 自行設計與銷售，數位訊號處理器（DSP）是由德州儀器自行設計與銷售，這類產品使用者只能接受而很難要求供應商針對使用者的需要修改，另外還有隨機存取記憶體（SDRAM、DDR）與快閃記憶體（Flash）等，這類積體電路（IC）都是廣泛應用的就不屬於 ASIC。

【重要觀念】

➤上面的分類方式只是為了讓大家容易了解各種處理器的特色，但是別忘了，每一種軟體都同時含有加法與乘法運算，只是多少的問題而已；同樣的道理，CPU 或 MPU 雖然是利用「加法」為主來進行所有的數學運算工作，但是 Intel 或 ARM 也已經將支援乘法與除法運算相關的指令集放入處理器內，只是在效能上和數位訊號處理器（DSP）還有一段差距而已！

➤一般只有中央處理器（CPU）、數位訊號處理器（DSP）、微處理器（MPU）、圖形處理器（GPU）、微控制器（MCU）等可以使用軟體改變運算內容，使用彈性比較大的被歸類為「處理器（Processor）」，不過隨著技術演進，現場可程式化邏輯陣列（FPGA）與特定應用積體電路（ASIC）也整合部分處理器的功能進去，因此愈來愈像處理器了！

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

《知識力》授權轉載

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<新聞 1＞：晶圓代工龍頭廠台積電傳出又接獲蘋果大單！半導體供應鏈指出，蘋果自行開發應用在 5G 的射頻接收器（RF transceiver ），敲定由台積電採用 6nm 製程代工生產，也是目前業界採最先進製程的射頻接收器，年產能超過 15 萬片。

這款原本由蘋果向高通外購的射頻接收器，由三星以 4nm 製程代工，日前外媒報導因三星 4nm 製程會出現產品高溫降頻等問題，高通已將新款 5G 旗艦晶片代工訂單轉由台積電代工生產，預計今年第 3 季放量。換言之，三星又掉單了。

<新聞 2＞：英特爾召開分析師大會，宣示將在 2025 年前重回電晶體每瓦效能的領先地位，將台積電 7nm 至 3nm 先進製程列為提高總體產能的重要策略，執行長基辛格（Pat Gelsinger）已順利爭取到未來 2～3 年更多台積電的先進製程代工產能，且涵蓋製程包括 7nm 及 6nm、5nm 及 4nm、及 3nm 等。法人預期英特爾可望在未來 2 年內成為台積電前三大客戶之一。

這場晶圓先進製程大戰，7nm 以下戰場現為台積電、三星與英特爾對戰情勢，隨著製程持續演進，電晶體微縮越來越困難，雙方實力差距也明顯拉開。究竟這個讓台積電囊括大半市占的製造技術——FinFET 是什麼東西？

場效電晶體（FET：Field Effect Transistor）

FET 的全名是「場效電晶體（FET：Field Effect Transistor）」，先從大家較耳熟能詳的「MOS」來說明。MOS 的全名是「金屬 －氧化物 －半導體場效電晶體（MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）」， 構造如＜圖一＞所示，左邊灰色的區域（矽）叫做「源極（Source）」，右邊灰色的區域（矽）叫做「汲極（Drain）」，中間有塊金屬（綠色）突出來叫做「閘極（Gate）」，閘極下方有一層厚度很薄的氧化物（黄色），因為中間由上而下依序為金屬（Metal）、氧化物（Oxide）、半導體（Semiconductor），因此稱為「MOS」。

圖一、MOSFET代表一個 0 或一個 1，就是電腦裡的一個「位元（bit）」

MOSFET 的工作原理與用途

MOSFET 的工作原理很簡單，電子由左邊的源極流入，經過閘極下方的電子通道，由右邊的汲極流出，中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過，有點像是水龍頭的開關一樣，因此稱為「閘」；電子是由源極流入，也就是電子的來源，因此稱為「源」；電子是由汲極流出，看看說文解字裡的介紹：汲者，引水于井也，也就是由這裡取出電子，因此稱為「汲」。

• 當閘極不加電壓：電子無法導通，代表這個位元是 0，如＜圖一（a）＞所示；
• 當閘極加正電壓：電子可以導通，代表這個位元是 1，如＜圖一（b）＞所示。

MOSFET 是目前半導體產業最常使用的一種場效電晶體（FET），科學家將它製作在矽晶圓上，是數位訊號的最小單位，一個 MOSFET 代表一個 0 或一個 1，就是電腦裡的一個「位元（bit）」。電腦是以 0 與 1 兩種數位訊號來運算；我們可以想像在矽晶片上有數十億個 MOSFET，就代表數十億個 0 與 1，再用金屬導線將這數十億個 MOSFET 的源極、汲極、閘極連結起來，電子訊號在這數十億個 0 與 1 之間流通就可以交互運算，最後得到使用者想要的加、減、乘、除運算結果，這就是電子計算機（電腦）的基本工作原理。晶圓廠像台積電（2330-TW）、聯電（2303-TW），就是在矽晶圓上製作數十億個 MOSFET 的工廠。

閘極長度： 半導體製程進步的關鍵

在 MOSFET 中，「閘極長度（Gate length）」大約 10 奈米，是所有構造中最細小也最難製作的，因此我們常常以閘極長度來代表半導體製程的進步程度，這就是所謂的「製程線寬」。閘極長度會隨製程技術的進步而變小，從早期的 0.18 微米、0.13 微米，進步到 90 奈米、65 奈米、45 奈米、22 奈米、10 奈米，到目前台積電正在開發的最新製程 7 奈米、5 奈米、3 奈米。

當閘極長度愈小，則整個 MOSFET 就愈小，而同樣含有數十億個 MOSFET 的晶片就愈小，封裝以後的積體電路就愈小，最後做出來的手機就愈小囉！10 奈米到底有多小呢？細菌大約 1 微米，病毒大約 100 奈米，換句話說，人類現在的製程技術可以製作出只有病毒 1/10（10 奈米）以下的結構，厲害吧！（註：製程線寬其實就是閘極長度，只是圖一看起來 10 奈米的閘極長度反而比較短，因此有人習慣把它叫做「線寬」。）

FinFET將 半導體製程帶入新境界

MOSFET 的結構自發明以來，到現在已使用超過四十年，當閘極長度縮小到 20 奈米以下的時候，遇到了許多問題，其中最麻煩的是當閘極長度愈小，源極和汲極的距離就愈近，閘極下方的氧化物也愈薄，電子有可能偷偷溜過去產生「漏電（Leakage）」；另外一個更麻煩的問題，原本電子是否能由源極流到汲極是由閘極電壓來控制的，但是閘極長度愈小，則閘極與通道之間的接觸面積（圖一紅色虛線區域）愈小，也就是閘極對通道的影響力愈小，要如何才能保持閘極對通道的影響力（接觸面積）呢？

因此美國加州大學伯克萊分校胡正明、Tsu-Jae King-Liu、Jeffrey Bokor 等三位教授發明了「鰭式場效電晶體（FinFET：Fin Field Effect Transistor）」，把原本 2D 構造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET，如＜圖二＞所示，因為構造很像魚鰭 ，因此稱為「鰭式（Fin）」。

由圖中可以看出原本的源極和汲極拉高變成立體板狀結構，讓源極和汲極之間的通道變成板狀，則閘極與通道之間的接觸面積變大了（圖二黃色的氧化物與下方接觸的區域明顯比圖一紅色虛線區域還大），這樣一來即使閘極長度縮小到 20 奈米以下，仍然保留很大的接觸面積，可以控制電子是否能由源極流到汲極，因此可以更妥善的控制電流，同時降低漏電和動態功率耗損，所謂動態功率耗損就是這個 FinFET 由狀態 0 變 1 或由 1 變 0 時所消耗的電能，降低漏電和動態功率耗損就是可以更省電的意思囉！

圖二、FinFET 就是把原本 2D 構造的源極和汲極拉高變成立體板狀結構

掌握 FinFET 技術就是掌握市場競爭力

簡而言之，鰭式場效電晶體是閘極長度縮小到 10 奈米以下的關鍵，擁有這個技術的製程與專利，才能確保未來在半導體市場上的競爭力，這也是讓許多國際大廠趨之若騖的主因，而在過去幾年台積電與三星的競爭中，台積電幾乎是完勝三星，與台積電擁有成熟的鰭式場效電晶體（FinFET）製程與專利密不可分，也使得台積電成為台灣少數具有國際競爭力的世界級高科技公司。

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主機板（Motherboard）是印刷電路板（PCB：Printed Circuit Board）中功能最複雜的一種，用來固定電腦專用的各種積體電路（IC），包括：中央處理器（CPU）、電腦記憶體（DRAM）、北橋晶片（North bridge）、南橋晶片（South bridge）、週邊介面（SATA、PATA、PCI、PCI express、USB、SPDIF、COM、PS/2、FDD、HDD、光碟機、LPT、乙太網路）等，如＜圖一＞所示：

➤處理器插槽：中央處理器（CPU）是個人電腦最重要的積體電路（IC），因此主機板上至少有一個處理器插槽，有些主機板為了使工作速度更快，提供兩個以上的處理器插槽，具有多個處理器同時運算可以提升個人電腦的運算速度。

➤記憶體插槽：主機板所使用的電腦記憶體有許多種類，一般都是使用「動態隨機存取記憶體（DRAM：Dynamic Random Access Memory）」，負責個人電腦暫時儲存資料的工作，主機板上一般有四個記憶體插槽，可以安裝四支記憶體，目前最常使用的DRAM 包括：SDRAM、DDR-SDRAM（DDR1/2/3）等。

➤ATX 電源插槽：外部 110V（伏特）的交流電接到電源供應器以後，會被轉換為 12V 與 5V、3V 的直流電，再經由 ATX 電源線連接到主機板上的 ATX 電源插槽。12V 的電源經由主機板上的銅導線流通到各處，提供散熱風扇使用，5V、3V 的電源則提供主機板上的積體電路（IC）或電子元件（例如：電阻、電容、電感）使用。

➤BIOS 晶片：BIOS 是指「基本輸出入系統（BIOS：Basic Input Output System）」，電腦開機時 CPU 會先執行 BIOS 晶片內記錄的 BIOS 程式，並完成電腦開機前的準備工作與基本輸出入指令確認，BIOS 程式在電腦關機以後必須保留在記憶體中不能消失，因此一般都是使用「唯讀記憶體（ROM：Read Only Memory）」來儲存。

➤鋰電池：在主機板上一定有一顆鋰電池，在電腦關機時可以持續供應主機板上的記憶體以及記錄時間、日期所需要的電源，這樣下次開機時間才會正確。

➤石英振盪器：電子產品的印刷電路板上一般都會有石英振盪器，主要的功能是提供積體電路（IC）工作時所需要的工作頻率，也就是所謂的「時脈（Clock）」，一般都是產生固定 0V（代表 0）與 1V（代表 1）不停變化的週期性電壓。

圖一、Foxconn 945P7AA-8KS2 主機板外觀構造與主要配置名稱。資料來源：www.ixbt.com。

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NAT 伺服器的原理

NAT 伺服器的連接方式如＜圖一＞所示，一端連接私有網路（內部網路），由企業內部網管人員自行設定私有 IP，可以自由設定但是不可以重覆，不需要支付費用，而且可以減少真實 IP 的使用量；一端連接外部網路（網際網路），由企業向網際網路服務供應商（例如：中華電信）申請真實 IP，必須支付費用。

假設台大電機系的網管人員將網路切割為內部與外部，內部網路的網址設定為 192.168.1.1、192.168.1.2、192.168.1.3；而外部網路的網址為 140.112.66.88，則 NAT 伺服器的功能就是更改封包表頭的傳送端 IP 位址與接收端 IP 位址。

➤傳送封包：假設私有網路（內部網路）的電腦 A 要傳送封包到網際網路（外部網路），所以將封包表頭內的傳送端 IP 位址設定為 192.168.1.1，如＜圖一（a）＞所示。

➤轉送封包：NAT 伺服器將封包表頭的傳送端 IP 位址改成 140.112.66.88 再傳送到網際網路（外部網路），並且記錄這個封包來自電腦 A，如＜圖一（b）＞所示。

➤接收封包：網際網路（外部網路）要傳送封包到電腦 A，但是封包表頭的接收端 IP 位址設定為 140.112.66.88，因此先由 NAT 伺服器接收進來，如＜圖一（c）＞所示。

➤轉送封包：NAT 伺服器將封包表頭的接收端 IP 位址改成 192.168.1.1 再傳送到私有網路（內部網路）的電腦 A，如＜圖一（d）＞所示。

圖一、NAT 伺服器的功能

NAT 伺服器的功能

➤封包偽裝（IP masquerade）：可以將私有 IP（內部IP）改變成真實 IP（外部 IP）再傳送到網際網路，使網路上的人無法得知私有網路的 IP 分配情形而增加網路安全性。

➤封包過濾：可以攔截網際網路進入私有網路的封包，阻擋怪客（Cracker）的攻擊，所以 NAT 伺服器是最重要的防火牆成員，也是一種「封包過濾器（Packet filter）」。

➤平衡負載：通常使用在網頁伺服器（Web server），一般公司的網頁伺服器同時可能會有數千人連線上來，如果只使用一台主機，一定無法負荷這麼多電腦的連線，我們可以在入口處加裝一台 NAT 伺服器，改變網際網路（外部網路）進入私有網路（內部網路）封包表頭的接收端 IP 位址，使進入的封包分散到不同的主機上，可以減輕單一主機的負擔，也可以增加網路安全性，如＜圖二＞所示。

圖二、NAT 伺服器可以平衡負載

【名詞解釋】

➤網際網路服務供應商（Internet Service Provider, ISP）：是指專門提供一般用戶連接到網際網路的公司，例如：中華電信（HiNet）、台灣固網、東森（2614-TW）寬頻電信（亞太固網）等公司，其實就是提供固網（固定網路）服務的公司。

➤駭客（Hacker）與怪客（Cracker）：天生就對電腦軟體或網路原理學習能力很強，但是「不會」惡意侵入別人電腦或散佈電腦病毒的人，稱為「駭客（Hacker）」；天生就對電腦軟體或網路原理學習能力很強，而且「會」惡意侵入別人的電腦或散佈電腦病毒的人，稱為「怪客（Cracker）」。所以「駭客」是稱讚別人的用語；「怪客」是責備別人的用語，這兩個名詞都是由英文翻譯而來，常常被一般人誤用，下回別再用錯了唷！

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在電子產品中最重要的處理器稱為「核心晶片（Core chip）」，就好像人類的大腦一樣，是所有控制命令的來源，有些電子產品可能不只一個處理器，但是最重要、功能最強的處理器通常只有一個。一般而言，核心晶片可以分為下列兩大類：

➤個人電腦所使用的核心晶片：在個人電腦（PC）與筆記型電腦（Laptop）產品中，核心晶片一般指的就是中央處理器（CPU），是屬於複雜指令集處理器（CISC）；它的工作頻率很高，工作速度很快，但是它的高效能是利用高頻率來達成，通常耗電量較大而且散熱也是個問題。

➤嵌入式系統所使用的核心晶片：在資訊家電（IA：Information Appliance）產品中，核心晶片又稱為「應用處理器（AP：Application Processor）」，就是用來執行應用程式（APP）的處理器，可以使用微處理器（MPU）、數位訊號處理器（DSP）、微控制器（MCU），是屬於精簡指令集處理器（RISC）；它的工作頻率較低，工作速度較慢，但是耗電量較小所以比較沒有散熱的問題。

硬體系統整合（Hardware system integration）

由硬體工程師進行印刷電路板（PCB：Printed Circuit Board）的設計，包括線路「繪圖（Schematics）」與「佈局（Layout）」，印刷電路板製作完成以後再使用「表面黏貼技術（SMT：Surface Mount Technology）」，將各種功能不同的積體電路（IC）與被動元件（電阻、電容、電感）黏貼在印刷電路板上，讓所有的電子元件一起工作，而達成我們所需要的功能，形成一個具有完整功能的產品。

例如：主機板（Mother board）是將中央處理器、北橋晶片（North bridge）、南橋晶片（South bridge）與其他數十個功能不同的積體電路安裝在印刷電路板上，再使用電腦外殼包裝起來；智慧型手機是將微處理器與其他數十個功能不同的積體電路安裝在印刷電路板上，再整合觸控面板、液晶顯示器、按鍵、麥克風、喇叭等元件。雖然不同的電訊號在印刷電路板上流動，彼此之間可能會有電磁干擾（EMI：Electro Magnetic Interference）的問題，但是硬體系統整合實際上困難度並不像軟體系統整合那麼高，國內的系統整合商都能做的很好。

硬體系統整合的終極目標就是「系統單晶片（SoC：System on a Chip）」，也就是將功能不同的數個晶片（Chip），整合成具有完整系統功能的一個 SoC 晶片，再封裝成一個積體電路，這樣不但會縮小體積，而且更省電。

軟體系統整合（Software system integration）

軟體工程師將各種功能不同的軟體（SW：Software）與韌體（FW：Firmware）整合起來，安裝（Install）到硬體工程師設計好的硬體系統中執行，達到我們所需要的功能，形成一個具有完整功能的產品。例如：個人電腦是將作業系統（Windows、Linux）安裝到中央處理器上，再整合驅動顯示器、硬碟機、光碟機等周邊設備所需要的韌體；智慧型手機是將作業系統（Android、iOS）安裝到微處理器上，再整合驅動觸控面板、液晶顯示器、按鍵、麥克風、喇叭所需要的韌體，千萬別忘了，任何硬體都需要軟體與韌體分工合作才能工作。

大家可能會覺得奇怪，安裝這些軟體與韌體到電腦上，只要把光碟放進光碟機，它就會自動執行，我們只要按下一步、下一步、下一步、OK 就好了，不是很簡單嗎？其實會這麼簡單，就是因為許多軟體工程師在幕後辛苦工作的結果，幫我們把程式寫好，才會讓我們這麼容易安裝在電腦上的。

除了電腦以外，所有的嵌入式系統產品，由於沒有固定的硬體架構，軟體與韌體工程師必須依照不同的硬體去開發軟體與韌體，所以更是辛苦，軟體系統整合比硬體系統整合複雜許多也困難許多，換句話說，軟體系統整合是整個系統整合工作成敗的關鍵，而開發軟體需要為數眾多的工程師，目前國內系統整合商大多不願意投資太多人力開發軟體，因此軟體開發能力較差，例如：桌上型或筆記型電腦所使用的 Windows 作業系統，其實是 Microsoft 公司開發的；智慧型手機所使用的 Android 作業系統，其實是 Google 公司開發的。

國內系統整合商沒有自己的軟體開發能力，就無法做出革命性的創新產品，這是目前國內系統整合商需要努力的地方，也是我常常鼓勵同學，現在讀資工系比電機系更有價值的原因。

在世界各國當中，軟體能力表現最好的，不是美國也不是日本，而是中國大陸和印度，有研究顯示印度人對於邏輯與數學能力確實比較優秀，而中國地大物博、人口眾多，軟體這種東西只要一些時間，加上許多人一起努力，團結就是力量，因此目前許多世界級的大廠都將軟體研發中心設置在中國大陸或印度；同樣的，台灣許多科技大廠也開始由印度引進軟體工程師，或是將軟體開發工作轉包到中國大陸的子公司，這對本土的軟體工程師的確是很大的威脅。

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所有的電池都具有陽極（負極）與陰極（正極），基本上都是由陽極（Anode）發生的化學反應產生電子（Electron）與陽離子（Ion），電子流入元件可以推動元件工作，也就是我們所稱的電能，如＜圖一（a）＞所示；陽離子則經由電解液穿越多孔性的隔離膜到達陰極，如＜圖一（b）＞所示；最後陽離子與電子在陰極（Cathode）結合，如＜圖一（c）＞所示。

電解液主要的功能是用來傳導陽離子，通常都是強酸或強鹼；隔離膜通常使用尼龍或聚丙烯（PP）不織布，必須具有許多孔隙讓陽離子流動，而且必須能夠抵抗強酸或強鹼電解液的腐蝕，並且能夠吸附電解液，同時具有絕緣性以防止陽極與陰極漏電短路。

此外，實際上電池可以依照不同的需要而製作成不同的形狀，可以製作成圓筒狀，例如：碳鋅電池、鹼性電池等，如＜圖一（d）＞所示，也可以製作為鈕扣狀，例如：汞電池（水銀電池）、銀電池等。

圖一、電池的構造

【重要觀念】

➤電池的陽極（Anode）：是我們所稱的「負極（Negative electrode）」。

➤電池的陰極（Cathode）：是我們所稱的「正極（Positive electrode）」。

兩者恰好相反，千萬別弄錯了唷！大家可能會好奇，為什麼會恰好相反來造成大家的困擾呢？因為化學家定義放出電子的叫「陽極」；而陽極放出電子，代表陽極必定帶負電（同性相斥、異性相吸），所以物理學家稱陽極為「負極」。

電池的能量密度

不同的電池其實只是陽極與陰極的材料不同、電解液不同，所以化學反應不同，產生的能量密度不同而已。能量密度的單位有兩種：

➤質量能量密度（Whr／Kg）：是指電池每公斤（Kg）可以產生多少能量（瓦特 – 小時），質量能量密度愈高，代表相同質量的電池可以產生更多的電能。

➤體積能量密度（Whr／L）：是指電池每公升（L）可以產生多少能量（瓦特 – 小時），體積能量密度愈高，代表相同體積的電池可以產生更多的電能。

記憶效應

電池的記憶效應，主要是由於電池充電或放電不完全，造成陽極材料（例如：鎳鎘電池的陽極為多晶鎘金屬）慢慢地產生較大的結晶，使得化學反應特性變差，能量密度變小。

➤充電不完全：是指電還沒充飽就停止充電，例如：使用者只充電到 60% 時就停止充電，如＜圖二（a）＞所示，則下一次再充電時，這個電池就只能充電到 60%，就好像電池記得上回使用者只充電到 60% 一樣，認定 60% 就是充滿了，所以這回也只充電到 60%。

➤放電不完全：是指電還沒用完就進行充電，例如：使用者只放電到 20% 時就停止放電，如＜圖二（b）＞所示，則下一次再放電時，這個電池就只能放電到 20%，就好像電池記得上回使用者只放電到 20% 一樣，認定 20% 就是放完了，所以這回也只放電到 20%。

圖二、電池的記憶效應

記憶效應會造成陰極材料的化學反應特性變差，使電池暫時性的容量變小，通常只會發生在鎳鎘電池；鎳氫電池的記憶效應比較小，鋰電池的記憶效應更小。

避免記憶效應的方法是保持電池「用完再充、充滿再用」，可以使用具有放電功能的充電器，先進行放電後再充電，並且等充滿電能以後再使用；但是要記得，鋰電池的特性與鎳鎘電池、鎳氫電池不同，鋰電池幾乎沒有記憶效應，過度放電反而會造成電池損壞，因此不適合用完再充，一般用到 10% 以下就應該充電了！

自放電效應

電池的自放電效應，是指電池在充滿電能之後，如果沒有立刻使用，則電池內的化學物質仍然會產生化學反應，造成儲存的電能慢慢減少，在所有的二次電池中，自放電效應最嚴重的是鉛蓄電池與鎳鎘電池，最輕微的是鋰電池。

電池的分類

常見的電池可以分為一次電池與二次電池兩大類，如＜圖三＞所示：

➤一次電池：只能使用一次就必須丟棄，無法進行充電。

➤二次電池：可以進行充電而重覆使用，不過通常充電的次數會有限制，並不能永久使用，例如：第一次可以充電到 100%，但是第二次只能充電到 99%，充電的次數愈多則愈無法完全充飽，當充電次數多到某一個程度，就無法使用了。不同的二次電池會有不同的使用壽命，是我們選擇二次電池時必須參考的特性。

圖三、電池的分類

一次電池

➤碳鋅電池：陽極使用鋅（Zn）放出電子，陰極使用二氧化錳（MnO2）包覆碳棒（石墨），電解液為氯化銨水溶液。碳鋅電池的價格便宜、製造簡單，但是不適合大電流連續放電，而且放電電壓不穩定。

➤鹼性電池：陽極使用鋅放出電子，陰極使用二氧化錳，電解液為氫氧化鉀水溶液，由於氫氧化鉀是一種鹼性物質，故稱為「鹼性電池」。鹼性電池的放電電流較大、放電電壓穩定，但是價格較高。

➤氫氧電池：陽極使用鋅放出電子，陰極使用二氧化錳與氫氧化鎳（NiOH）包覆碳棒，電解液為氯化銨與氯化鋅水溶液。氫氧電池的能量密度是鹼性電池的二倍，也是目前能量密度最高的一次電池，但是價格較高因此沒有被大量使用。

➤汞電池（水銀電池）：陽極使用鋅放出電子，陰極使用氧化汞及碳粉混合物，電解液為氧化鋅與氫氧化鉀水溶液。汞電池體積小、能量密度高、放電電壓穩定，常用於電子計算機、電子錶，而且價格較低，但是使用後丟棄，電池內的汞會造成環境污染。

➤銀電池：陽極使用鋅放出電子，陰極使用氧化銀及碳粉混合物，電解液為氧化鋅與氫氧化鉀水溶液。銀電池體積小、能量密度高、放電電壓穩定，常用於電子計算機、電子錶，但是價格較高。

二次電池

➤鉛蓄電池：陽極使用鉛（Pb）放出電子，陰極使用氧化鉛（PbO2），電解液為硫酸水溶液，由於硫酸是一種酸性物質，故又稱為「鉛酸電池」。鉛蓄電池是第一個商業化與最廣泛使用的二次電池，結構簡單、重覆使用壽命長、操作溫度範圍大、價格便宜，但是體積龐大、重量較重、不易攜帶，主要使用在汽車電池，通氣式的鉛蓄電池需要定期加水補充水分的蒸發，最近幾年已經有密閉式的鉛蓄電池出現，不需要加水補充比較方便。

➤鎳鎘電池：陽極使用鎘（Cd）放出電子，陰極使用二氧化鎳，電解液為鹼性液體。鎳鎘電池體積小，原本是使用量最大的二次電池，曾經廣泛的應用在各種電子產品，但是使用後丟棄，電池內的鎘會造成環境污染，而且記憶效應較大，目前已經禁止使用了。

➤鎳氫電池：陽極使用氫氧化鎳放出電子，陰極使用儲氫合金吸收電子同時放出氫原子，電解液為鹼性液體。鎳氫電池的能量密度是鎳鎘電池的二倍，組成材料與鎳鎘電池相似，由於不含鎘比較不會造成環境污染，而且記憶效應較小，所以目前已經取代鎳鎘電池廣泛的應用在各種電子產品。如何增加能量密度必須改良儲氫合金，由於儲氫合金是所有必須使用氫能的電池都要使用的技術，是氫能產業重要的技術，請參考＜燃料電池＞的詳細介紹。

➤鋰電池：陽極將鋰離子嵌在石墨結構中，陰極使用鋰鈷氧化物（LiCoO2）、鋰鎳氧化物（LiNiO2）或鋰錳氧化物（LiMn2O4），電解液為鋰離子化合物有機溶液，後面會再特別針對鋰電池詳細介紹。

常見的二次電池比較如＜表一＞所示，其中鋰電池的質量能量密度最高，但是價格也最高，而且由於鋰的活性很高，遇到水很容易將水分解產生氫氣，尤其是空氣裡原本就含有水份，所以比較容易爆炸，使用時要非常小心。

表一、常見的二次電池比較表（資料來源：Electronics Lab website、國科會）

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由於 IP 位址不夠，為了節省子網路中 IP 位址的使用量，可以設定網路中的一台主機做為指揮中心，稱為「動態主機組態協定伺服器（DHCP server）」或「DHCP 伺服器」。負責動態分配 IP 位址，當網路中有任何一台電腦要連線時，才向 DHCP 伺服器要求一個 IP 位址， DHCP 伺服器會從資料庫中找出一個目前尚未被使用的 IP 位址提供給該電腦使用，使用完畢後電腦再將這個 IP 位址還給 DHCP 伺服器，提供給其他上線的電腦使用。

「動態主機組態協定（Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP）」主要的功能是提供用戶端電腦動態的 IP 位址、子網路遮罩（Subnet mask）、預設閘道器（Default gateway）、DNS 伺服器的 IP 位址等，可以減少用戶端手動設定 IP 位址的麻煩，並且減少手動設定發生錯誤的機率，又可以節省 IP 位址的使用量。

講到網路設定，大部分的人就開始有點頭痛了，其實只要了解一點網路的原理，設定網路就會變得很簡單，＜圖一＞是 Windows 網路設定的畫面，用戶端電腦設定 IP 位址的方法有下列兩種：

➤手動設定（Manual）：使用者以手動的方式自行為電腦設定 IP 位址，每次連線的 IP 位址是固定的，除非使用者再以手動的方式變更設定，如＜圖一（a）＞所示。

➤動態設定（Dynamic）：用戶端電腦向 DHCP 伺服器要求 IP 位址，DHCP 伺服器動態指定一個未被使用的 IP 位址給用戶端電腦使用，動態設定的 IP 位址通常並不固定，如＜圖一（b）＞所示。

圖一、DHCP伺服器

動態主機組態協定（DHCP）的工作流程

＜圖二＞為用戶端電腦向 DHCP 伺服器要求 IP 位址的流程，包括下列步驟：

➤DHCP 探索（DHCP discover）：由用戶端電腦發出廣播封包到整個子網路，向負責這個子網路的 DHCP 伺服器要求 IP 位址來連接網路，如＜圖二（a）＞所示。

➤DHCP 提供（DHCP offer）：由 DHCP 伺服器回應用戶端電腦的要求，指定一個未被使用的 IP 位址給用戶端電腦使用，如＜圖二（b）＞所示。

➤DHCP 回覆（DHCP request）：用戶端電腦收到 DHCP 伺服器所提供的 IP 位址後，發出回覆給 DHCP 伺服器，表示接受 DHCP 伺服器所指定 的 IP 位址，如＜圖二（c）＞所示。

➤DHCP 確認（DHCP ACK：DHCP Acknowledgement）：由 DHCP 伺服器回應用戶端電腦確認訊號，表示用戶端電腦可以使用這個 IP 位址連接網路，如＜圖二（d）＞所示。

圖二、DHCP的工作流程

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2008 年開始全球原油價格高漲，再加上溫室效應嚴重，世界各國才發始警覺，汽車的引擎實在是個大污染源，有人開始發展使用電池動力的電動車，但是早期因為沒有合適的二次電池，所以一直很難讓消費者接受，在這裡我們先整理一下早期電池技術的困難：

➤鉛蓄電池的價格最低，但是體積能量密度（每公升可以儲存多少能量）太低，續航力不足，必須用很大的電池才能儲存足夠的電能，因此實用性不高。

➤鎳氫電池的能量密度比較高，但是仍然不夠高，而且陰極使用的儲氫合金多為貴重金屬價格也高，雖然可以應用在汽車，但是仍然困難重重，例如：全球第一台成功上市使用新電池的汽車，應該算是豐田（Toyota, 7203-JP）汽車公司生產的 Prius，這是結合汽油引擎與鎳氫電池的複合動力（Hybrid engine）車，但是仍然由於大容量的鎳氫電池售價太高，造成銷售量受到限制。

➤鋰離子電池或聚合物鋰電池是目前能量密度最高的電池，但是價格太高，比較適合應用在小型電子產品，應用在大容量的電池上仍然有所限制，例如：全球第一台成功上市使用鋰電池的電動車，應該算是 TESLA (TSLA-US）公司生產的 Model S，但是仍然由於大容量的鋰電池售價太高，造成銷售量受到限制。

陰極材料（正極材料）

傳統的鋰離子電池所使用的陰極材料鋰鈷氧化物（LiCoO2）、鋰鎳氧化物（LiNiO2）、鋰錳氧化物（LiMn2O4）成本較高，這些陰極材料的金屬元素中，鈷價格最高，而且地球儲存量不多，鎳、錳比較便宜，但是仍然不夠便宜。而鐵（Fe）是最便宜的材料，因此 1996 年開始，日本的 NTT 公司首次發表使用鋰鐵鈷氧化物（LiFeCoPO4）做為陰極材料。

1997 年美國德州大學 Goodenough 等人首次發表使用鋰鐵氧化物（LiFePO4）做為陰極材料，稱為「磷酸鋰鐵電池（LFP：Lithium Ferrous Phosphate）」，由於完全不使用鈷，不但解決鈷在地球儲存量不多的問題，也可以降低價格，而且鐵對環境的污染也最低，因此愈來愈多廠商看好磷酸鋰鐵電池在汽車上的應用。

磷酸鋰鐵電池的原理

➤放電：陽極材料（鋰離子嵌入石墨）放出電子與鋰離子（Li＋），電子流入元件可以推動元件工作，鋰離子則經由高分子聚合物薄膜到達陰極材料（磷酸鋰鐵），如＜圖一（a）＞所示，最後鋰離子與電子在陰極結合。

➤充電：外加電壓使陰極材料（磷酸鋰鐵）放出鋰離子（Li＋），鋰離子經由高分子聚合物薄膜回到陽極材料（鋰離子嵌入石墨），恢復原來的狀態，如＜圖一（b）＞所示。因為放電和充電時造成鋰離子來回移動，所以這種電池為「鋰離子電池」。

圖圖一、磷酸鋰鐵電池的原理。

磷酸鋰鐵電池的特性

➤可以輸出高電壓高電流：磷酸鋰鐵電池的標準放電率為 2～5C，連續高電流放電率可達 10C，瞬間脈衝放電率可達 20C，換句話說，磷酸鋰鐵電池可以大電流放電。

➤工作溫度範圍大：當外部工作環境溫度為 65 度 C 時，電池內部溫度高達 95 度 C，電池放電結束後溫度高達 160 度 C，但是仍然可以保持電池的結構安全。

➤使用安全性高：當電池內部或外部破裂，仍然不燃燒、不爆炸，也不會因為過度充電或放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸，這是其他鋰離子電池沒有的特性。

➤過度充放電也不會損壞：過度充電或放電仍然保持不洩漏、不損壞，這是其他鋰離子電池沒有的特性。

➤使用壽命長：經過充放電 500 次以後，電池容量仍然大於 95% 以上。

➤可以快速充放電：能夠大電流快速充放電，電化學穩定性高。

➤材料成本低：鐵（Fe）是便宜的材料，所以磷酸鋰鐵電池的材料成本低。

➤環境污染輕微：鐵對環境的污染輕微。

➤能量密度有待提升：磷酸鐵鋰電池的能量密度只有傳統鋰離子電池或聚合物鋰電池的 60～70% 左右，能量密度有待提升，不過比起鎳氫電池能量密度仍然提升了 70% 以上，讓應用的範圍更廣。

磷酸鋰鐵電池的應用

由於磷酸鋰鐵電池具有上述優點，酸鐵鋰電池的能量密度只有傳統鋰離子電池或聚合物鋰電池的 60～70% 左右，不適合應用在重視體積小的電子產品，而適合廣泛地應用在其他產品，包括：

➤大型電動車輛：公車、電動汽車、遊覽車、複合動力（HSD）車等。

➤輕型電動車：電動自行車、高爾夫球車、小型電動滑板車、堆高機、清潔車、電動輪椅等。

➤電動工具：電鑽、電鋸、割草機等。

➤遙控玩具：汽車、船、飛機等遙控玩具。

➤能量儲存設備：太陽能及風力發電的能量儲存設備。

➤緊急電力系統：不斷電系統（UPS）、緊急照明燈、礦燈（磷酸鋰鐵電池不燃燒、不爆炸安全性最好）。

➤攜帶型設備：小型醫療儀器設備、攜帶型儀器。

磷酸鋰鐵電池的產業現況

磷酸鋰鐵電池最上游的化合物專利由三家專業材料公司掌握，包括：A123（已破產）公司的 Li1-xMFePO4、Phostech 公司的 LiMPO4、立凱（5227-TW）公司的 LiFePO4-MO，同時也已經發展出十分成熟的量產技術。這些上游材料的突破與發展，帶動了鋰電池與油電混合車產業的成長。

由於磷酸鋰鐵電池和一般鋰離子電池比較起來，完全沒有過熱或爆炸等安全性顧慮，充放電次數是大約 4～5 倍，放電率大約 8～10 倍（可瞬間產生大電流），包括：通用汽車（General Motors, GM-US）、福特（FORD, F-US）汽車、豐田汽車等業者都高度重視磷酸鋰鐵電池的發展。

A123 公司甚至獲得了美國政府數千萬美元的補助，希望扶植美國的鋰電池業者，利用油電混合車的發展擊敗遙遙領先的日本汽車業者。

美國汽車產業預估 2010 年全美的油電混合車將超過 400 萬輛，美國通用汽車在 2007 年公開展示插電式油電混合動力車（PHEV：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）的概念車「Chevrolet Volt Concept」，只要接上一般家用電源就可以為磷酸鋰鐵電池充電。

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由「汽車工程師學會（SAE：Society of Automotive Engineers）」定義，從輔助駕駛到完全自動化駕駛，也就是汽車自動到什麼程度，定義了六個等級，如＜表一＞所示，後來成為「無人駕駛車（Driverless vehicles）」共同使用的標準。

➤等級零（SAE Level 0）：

完全由人工操作，沒有自動功能，駕駛必須隨時掌握車輛的所有功能，但是可能有基本的警告裝置等無關主動駕駛的功能。

➤等級一（SAE Level 1）：

具有一種或多種主要的自動化控制功能，但是只能單獨作用，例如：電子穩定程式（ESP：Electronic Stability Program）、防鎖死煞車系統（ABS：Anti-lock Braking System）、巡航控制系统（CCS：Cruising Control System）等。

➤等級二（SAE Level 2）：

具有多種自動化控制功能，可以代替駕駛人處理駕駛環境的變化，以減輕駕駛人的負擔，但是駕駛人仍然需要注意行駛環境，隨時有可能需要介入控制車輛，例如：主動式巡航定速（ACC：Adaptive Cruise Control）、自動緊急煞車系統（AEB：Autonomous Emergency Braking）、自動停車系統（APS：Automatic Parking System）等。

➤等級三（SAE Level 3）：

車輛可以自動完成部分駕駛任務，在一定條件下可以監控駕駛環境，當汽車偵測到需要駕駛人時會立即讓駕駛人接管後續控制，因此駕駛人必須隨時準備接手系統無力處理的狀況，這算是無人駕駛車的開始階段。

➤等級四（SAE Level 4）：

在一定條件下，車輛可以自動完成所有駕駛和環境監控，在自動駕駛功能啟動時駕駛人不需要介入，但是自動駕駛僅限於高速或車輛較少的特定道路上使用，這就是所謂的「在一定條件下」，也有人把這個等級稱為「有方向盤的無人駕駛車」。

➤等級五（SAE Level 5）：

在所有條件下，車輛都可以自行駕駛，自動駕駛可以在所有道路上使用，可以執行所有與安全相關的控制功能，即使沒有人在車上也可以自動駕駛，也就是完全自動化，汽車不再需要方向盤、剎車、油門，也有人把這個等級稱為「無方向盤的無人駕駛車」。

表一　自動駕駛的等級

先進駕駛輔助系統（ADAS）

輔助駕駛人進行汽車駕駛控制的系統稱為「先進駕駛輔助系統（ADAS：Advanced Driver Assistance Systems）」，主要功能並不是控制汽車，而是為駕駛人提供車輛的工作狀況與車外的行駛環境變化等資訊。

在某些情況下可以協助控制汽車，但是駕駛人仍然是控制汽車的主角，輔助系統只是警告、提示、協助駕駛人的配角而已，讓駕駛人提早採取因應措施避免交通意外發生，相當於自動駕駛等級三（SAE Level 3）。先進駕駛輔助系統（ADAS）主要包括下列三個部分：

➤感測器（Sensor）：

偵測各種外界的訊號，可能使用的感測器包括：雷達（Radar）、光達（Lidar）、飛時測距（ToF）、紅外線（Infrared）、超音波（Ultrasonic）等，可以偵測的距離遠近不同。

➤處理器（Processor）：

處理接收進來的訊號，在汽車裡稱為「電子控制單元（ECU：Electronic Control Unit）」，可以收集並且分析汽車所有的感測器傳送過來的訊號，並且做出適當的分類與處理，再向致動器輸出控制訊號。可以使用的處理器包括：微處理器（MPU）、數位訊號處理器（DSP），如果必須使用人工智慧深度學習或處理大量行車影像運算則可以使用圖形處理器（GPU）。

➤致動器（Actuator）：

控制各種致動的裝置，依照處理器傳送過來的控制訊號，讓相關的裝置完成運作，例如：啟動自動煞車使汽車停止前進、啟動螢幕顯示警告訊息、啟動蜂鳴器發出警示音等。

先進駕駛輔助系統（ADAS）的種類

隨著技術的進步與感測器價格愈來愈便宜，各種不同的先進駕駛輔助系統（ADAS）被應用在車輛上，早期只有高級車配備，目前則愈來愈普及，常見的有下列九大系統：

➤停車輔助系統（PAS：Parking Aid System）

協助駕駛人停車，主動式的停車輔助系統可以自動控制方向盤協助駕駛人完成停車動作；被動式的停車輔助系統是使用倒車影像與超音波為感測器提供影像與聲音給駕駛人參考，由駕駛人自行完成停車動作。

➤夜視系統（NVS：Night Vision System）

在夜晚或雨天視線不良的狀況容易發交通事故，可以使用高感光度影像感測器，加上紅外光影像感測器輔助，提供車輛前方行人、動物、車輛、環境等輔助影像給駕駛人參考。

➤車道偏離警示系統（LDWS：Lane Departure Warning System）

汽車駕駛人常常因為打瞌睡、講電話等行為分心造成車輛偏離車道，其中打瞌睡可能在不自覺的情況下發生，可以使用車內後視鏡向前方的影像感測器，或使用車身側面後視鏡向後方的影像感測器取得車道線，並且判斷車輪是否有壓到車道線，如果車輪壓到車道線，而駕駛人沒有啟動方向燈，代表此時駕駛人可以在打瞌睡，系統會產生警示音提醒駕駛人。

➤汽車防撞系統（Collision avoidance system）

依照各家車廠不同的命名又稱為預防碰撞系統（Pre-crash system）、前方碰撞預警系統（Forward collision warning system）、減少碰撞系統（Collision mitigating system），安裝在車輛前方的雷達感測器可以持續掃描前方道路狀況，再依照車輛行使狀況判斷碰撞的可能。

當與前車的距離變小時會啟動第一階段發出警示音並且啟動螢幕顯示警示訊息提醒駕駛人注意車距；如果駕駛人沒有做出反應則啟動第二階段自動輕踩煞車，同時輕拉安全帶警告駕駛人，這時如果踩下煞車系統會視為緊急煞車；如果駕駛人沒有做出反應則系統啟動自動緊急煞車，同時啟動主動預縮式安全帶功能固定駕駛人降低意外發生的傷害。

➤盲點偵測系統（BSD：Blind Spot Detection System）

汽車駕駛人的盲點是指三面後視鏡看不到的區域，尤其是在車身兩側從自己的車身中段算起向後兩個 車身處，如果有行人或車輛常常會因為視線死角而發生事故，可以使用紅外線或雷達感測器來偵測車輛周圍的盲點區，當有行人或車輛靠近時產生警示音提醒駕駛人。

➤主動車距控制巡航系統（ACC：Adaptive Cruise Control System）

安裝在車輛前方的雷達感測器可以持續掃描前方道路狀況，系統通常會結合定速裝置，當駕駛人設定一個車速，當與前車的距離變小時會自動減速與前車保持安全距離；當與前車的距離變大時會自動加速，最高通常不會超過駕駛人設定的車速。

此外，在「先進駕駛輔助系統（ADAS）」被市場上廣泛討論之前，其實早就有許多先進的駕駛輔助系統被車廠開發出來，例如：

➤適路性車燈系統（Adaptive Front Lighting System）

車燈可以依照不同的車速、道路、環境、氣候狀況調整光型達到最佳的照明角度及範圍。

例如：近光燈轉彎光型可以提供車輛在彎曲道路行駛時，提前照射行進方向路面；C 段位光型（C-signal）為預設基本光型；V 段位光型（V-signal） 適合車輛低速行駛在市區道路；E 段位光型（E-signal）適合車輛高速行駛在高速公路；W 段位光形（W-signal）適合車輛在雨天或道路潮濕時使用；T 段位光形（T-signal）是結合前述各種段位光型的轉彎光型。

➤胎壓偵測系統（TPMS：Tire Pressure Monitoring System）

將微機電系統（MEMS）製作的壓力感測器製作得很小，安裝在輪胎充氣孔上，用來監控輪胎的胎壓與溫度，再使用無線通訊的方式將胎壓大小傳送到車輛上的接收器，當胎壓太大或太小時系統啟動螢幕顯示警示訊息提醒駕駛人。

由於壓力感測器製作得很小，只能使用一個微小的電池，更換電池也是個麻煩的問題，因此有廠商開發不需要電池的產品，使用能量採集（Energy harvesting）技術在時速 60 公里時，車輪轉動產生大約 40 微瓦提供電力，這樣就可以提供足夠的電源不需要更換電池了！

➤煞車電子輔助系統（Breaking Electrical Assist System）

煞車是汽車電子組件裡最重要的部分之一，煞車電子輔助系統也是最早被安裝在汽車上的，常見的有下列幾種系統：

1. 防鎖死煞車系統（ABS：Anti-lock Brake System）：一般車輛緊急煞車時會將車輪鎖死，造成駕駛人無法控制前進方向而發生危險，ABS 在駕駛人踩下煞車踏板時，系統會以每秒鐘煞車再放鬆 6～12 次，煞車時可以減低車速，放鬆時可以提供駕駛人操控方向，這樣可以維持車輛減速與方向操控能力。

2. 煞車輔助系統（BAS：Brake Assist System）：駕駛人在緊急情況下可能沒有足夠的力量來踩煞車，BAS 偵測到駕駛人忽然以極快的速度和力道踩下煞車踏板時，系統會判斷為需要緊急煞車，同時對煞車系統進行加壓，讓煞車系統迅速產生最強大的煞車力量。

3. 防滑控制系統（TCS：Traction Control System）：車輛 行駛在雪地、泥濘或左右不同摩擦力的路面上會造成打滑現象，此時系統會降低打滑車輪的動力，甚至利用煞車鎖定打滑的車輪，使動力傳送到未打滑的車輪讓車輛繼續穩定前進。

4. 電子煞車力量分配（EBD：Electronic Brake force Distribution）：傳統煞車系統按照固定比例將煞車力量分配到汽車的前後輪，EBD 可以依照不同業駛條件獨立分配四輪的煞車力量來達最佳的減速效果，避免煞車時不必要的車輪打滑現象及不必要的 ABS 作動。

5. 電子穩定控制系統（ESC：Electronic Stability Control）：系統自動偵測車輪速度、方向盤轉動角度、車身橫擺動幅度、橫向加速度等數值判斷車輛是否處於失控狀態，如果判斷車輛即將失控會降低引擎輸出力量或透過煞車系統提供單輪煞車使車輛回復穩定。

6. 煞車優先系統（BOS：Brake Override System）：電子控制單元（ECU）收集並且分析汽車所有的感測器傳送過來的訊號，此系統將煞車優先權提高，使駕駛人在煞車的同時任何操作都能確保車輛減速，例如：同時踩下油門與煞車踏板時，引擎輸出會自動變成怠速模式。

7. 電子式駐煞車系統（EPB：Electric Parking Brake）：利用按鈕取代駐車拉柄，同時可透過電子控制單元（ECU）讓駐煞車自動啟動與取消，上坡起步時也可以避免車輛倒退的問題，可以增加安全性。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

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傳統個別封裝技術是將處理器（CPU）、記憶體、邏輯元件、類比元件等「數個」功能不同的晶片（Chip），分別封裝成「數個」不同的積體電路（IC），再分別焊接在一塊印刷電路板（PCB）上。

以個人電腦的主機板為例，處理器是一個積體電路，記憶體是另外一個積體電路，北橋晶片和南橋晶片是另外兩個積體電路…依此類推，所有的積體電路都焊接在一塊印刷電路板上，才能互相配合進行運算的工作，這種方式會使整個系統的體積較大、成本較高，電訊號必須在印刷電路板上傳送較長的距離才能進行運算，造成耗電量大，而且運算速度慢，系統功能較差。

系統單晶片（SoC：System on a Chip）

將數個功能不同的晶片，整合成「一個」具有完整功能的晶片，再封裝成「一個」積體電路，稱為「系統單晶片（SoC：System on a Chip）」。

例如：將處理器變成「CPU 單元」，北橋晶片變成「MCH 單元」，整合在同一個光罩上，製作成一個晶片，如＜圖一＞所示，目前 Intel（INTC-US）公司就是朝向這個方向努力，以縮小筆記型電腦的體積。

圖一、系統單晶片示意圖

系統單晶片的優點

➤減少體積：以印刷電路板組合數個不同功能的積體電路，體積較大；如果整合成一個 SoC 晶片，則體積變小。

➤減少成本：需要封裝測試多顆積體電路，成本較高；如果整合成一個 SoC 晶片，只需要封裝測試一顆積體電路，成本較低。

➤降低耗電量同時提高運算速度：以印刷電路板組合數個不同功能的積體電路，電訊號必須在印刷電路板上傳送較長的距離才能進行運算，耗電量較高，運算速度較慢；如果整合成一個 SoC 晶片，電訊號在同一個積體電路內傳送較短的距離就能進行運算，耗電量較低，運算速度較快。

➤提升系統功能：將不同功能的積體電路整合成一個 SoC 晶片，體積較小，可以整合更多的「功能單元」，形成功能更強大的晶片。目前已經有許多非常成功的 SoC 晶片在市場上銷售，＜圖二＞是 Nvidia（NVDA-US）公司設計的 Tegra 650 多媒體系統單晶片，結合中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、影像處理器（Image／Video processor）、其他周邊介面等功能單元。

圖二、Nvidia Tegra 650系統單晶片（資料來源：www.nvidia.com）

系統單晶片的挑戰

由於 SoC 晶片的設計與驗證必須與半導體製造技術配合，再加上必須具備完整的混合訊號、數位與類比、低頻與高頻、記憶體等相關的智慧財產權（IP）產業互相配合，因此系統單晶片的設計仍然有許多困難極待克服，系統單晶片的設計瓶頸包括：

➤製造瓶頸：不同功能單元的製程技術不同，要同時製作在矽晶片上非常困難，數位電路的整合比較容易，數位與類比電路兩者要整合在一起就比較困難。

➤封裝瓶頸：SoC 晶片功能強大，工作頻率增加，必定會造成線路的訊號產生雜訊互相干擾，必須使用覆晶封裝、錫球封裝、晶圓級封裝等技術加以克服。

➤測試瓶頸：測試機台必須同時具備多種數位與類比訊號的測試功能，因此必須發展多功能單一機型的測試機台，同時測試不同功能的 SoC 晶片。

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大自然裡一切的訊號，包括我們聽到的聲音、看到的影像，都屬於類比訊號，例如：老師使用麥克風在上課，麥克風是一種聲音的接收器，可以將聲音的大小轉換成電壓的大小，得到的是一個連續的電壓變化，這種「連續的訊號」稱為類比訊號，如＜圖一＞所示，而用來處理類比訊號的積體電路稱為「類比積體電路（Analog IC）」。人類講話的聲音當然是連續的，因為我們的聲音可能是漸漸變大或漸漸變小，隨著聲音的大小，麥克風的電壓也會漸漸變大或漸漸變小。

圖一　類比訊號是連續的電壓。
資料來源：Winamp 多媒體播放器。

❒ 數位訊號（Digital signal）

經由我們加工以後可以將連續的類比訊號變成 0 與 1 兩種不連續的訊號，例如：電腦在運算的時候只有低電壓（0V 代表二進位的數字 0）與高電壓（1V 代表二進位的數字 1），訊號可以由 0（0V）直接跳到 1（1V），也可以由 1（1V）直接跳到 0（0V），得到的是一個不連續的電壓變化，這種「不連續的訊號」稱為數位訊號，如＜圖二＞所示，而用來處理數位訊號的積體電路稱為「數位積體電路（Digital IC）」。

圖二　數位訊號是不連續的電壓。
資料來源：Winamp 多媒體播放器。

【注意】

➤高位準：積體電路（IC）中的數位訊號 1 以「高電壓」來表示，稱為「高位準」，通常是使用 1V（伏特）、1.2V、1.8V 或3.3V，高位準的電壓愈低通常代表消耗的功率愈低，所以比較省電，換句話說，使用 1.2V 代表 1 比使用 1.8V 代表 1 更省電，所以積體電路的工作電壓，就是所謂的「Vcc」，一般都是愈來愈低。
➤低位準：積體電路（IC）中的數位訊號 0 以「低電壓」來表示，稱為「低位準」，通常都是使用 0V，就是所謂的「接地電壓（Ground voltage）」或「Vground」。

❒ 訊號數位化（Signal digitization）

將類比訊號轉換為數位訊號的過程稱為「訊號數位化（Signal digitization）」，不論那一種類比訊號數位化以後都只剩下 0 與 1 兩種數位訊號。值得注意的是，在使用數位訊號的時候，0 與 1 本身並沒有任何意義，而「0 與 1 的排列順序」可能代表一個文字、一段聲音或一張圖片，才具有特別的意義。

數位訊號是廿一世紀非常重要的里程埤，包括數位電視（DTV）、數位音訊廣播（DAB）等都已經陸續完成，手機也早就從第一代（1G）類比式行動電話發展到第二代以後的數位式行動電話，而與數位訊號相關的技術包括：靜態影像壓縮（JPEG）、動態影像壓縮（MPEG1、MPEG2、MPEG4、H.263、H.264、WMV9）、音訊壓縮（MP3、WMA、WAV、AAC、AC-3）等，都是通訊與多媒體產業非常重要的觀念。

數位訊號是人類加工出來的東西，所以大自然中「理論上」是不存在的，但是近代科學家發現，當材料的尺寸小於 100nm（奈米）時，許多大自然存在的材料會產生類似這種「不連續的現象」，我們稱為「量子效應（Quantum effect）」，近代新興的「量子力學（Quantum physics）」就是在討論這些奇怪的現象，這個部分屬於非常學術的領域，這裡不再詳細討論。

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邏輯積體電路（Logic IC）

數位積體電路（Digital IC）又稱為「邏輯積體電路（Logic IC）」，主要是處理數位訊號（0 與 1）為主，依照產品特性可以分為下列兩大類，如＜圖一＞所示：

➤標準邏輯（Standard logic）：使用電晶體 BJT（HBT）、CMOS、BiCMOS 排列組合形成組合邏輯閘 AND、NAND、OR、NOR、XOR、XNOR、NOT 等積體電路（IC），例如：CMOS 排列組合形成的 AND 閘標準邏輯，市場上著名的產品型號包括： 74AC 系列、74BC 系列（Bi-CMOS）、74HC 系列（CMOS）等。

➤特定應用積體電路（ASIC）：英文念做 `esik，是指 IC 設計工程師針對「特定的應用需要」或「特定的客戶需要」而設計出來的積體電路（IC），例如：有客戶想要製作一隻電子雞，但是市面上並沒有這種具備電子雞功能的積體電路（IC），因此必須由 IC 設計公司特別針對這位客戶去設計，這顆特別針對這位客戶「特定的應用需要」而設計出來的積體電路（IC）就稱為「特定應用積體電路（ASIC：Application Specific Integrated Circuit）」。

市場上有些積體電路（IC）是「廣泛應用」而非「特定的應用需要」或「特定的客戶需要」，例如：中央處理器（CPU）是由 Intel（INTC-US）自行設計與銷售，數位訊號處理器（DSP）是由德州儀器（Texas Instruments, TXN-US）（TI, TXN-US）自行設計與銷售，這類產品使用者只能接受而很難要求供應商針對使用者的需要修改，另外還有隨機存取記憶體（SDRAM、DDR）與快閃記憶體（Flash）等，這類積體電路（IC）都是廣泛應用的就不屬於 ASIC。

圖一、數位積體電路的種類

此外，邏輯積體電路（Logic IC）依照邏輯特性又可以分為下列兩大類：

➤組合邏輯（Combinational circuit）：沒有記憶體儲存資料，所以組合邏輯的輸出只受當時輸入的影響，前面介紹的邏輯閘 AND、NAND、OR、NOR、XOR、XNOR、NOT 等，以及較複雜的解碼器（Decoder）、編碼器（Encoder）、多工器（Multiplexer）、解多工器（Demultiplexer）、算數邏輯運算單元（ALU）等都是屬於組合邏輯。

➤循序邏輯（Sequential logic）：含有記憶體儲存資料，所以循序邏輯的輸出與輸入前的狀態有關，而輸入前的狀態必須儲存在記憶體內，常見的例子包括：正反器（FF：Flip Flop）、計數器（Counter）、閂鎖器（Latch）等都是屬於循序邏輯。

特定應用積體電路（ASIC：Application Specific Integrated Circuit）

特定應用積體電路（ASIC）又可以分為下列兩大類，如＜圖一＞所示：

➤全客製化積體電路（Full custom IC）：由 IC 設計公司經過系統設計、邏輯設計、實體設計以後，交給 IC 光罩（2338-TW）與製造公司進行光罩製作與晶圓製造，再交給 IC 封裝與測試公司進行封裝與測試後才完成可以銷售的積體電路（IC）。這種積體電路（IC）必須歷經 IC 設計、IC 光罩與製造、IC 封裝與測試才能完成，所以製作成本很高，一但決定要做，就一定要製作足夠的數量才划算；有點類似傳統印刷產業裏的「製版印刷」，因為製版費用很高，一但決定要製版印刷，就一定要印刷很大的數量才划算。

➤半客製化積體電路（Semi custom IC）：事先由廠商將大部分的邏輯電路設計完成並且製作成積體電路（IC），再賣給 IC 設計公司或系統整合商（SI：System Integrator），由工程師依照需要完成最後的電路連線工作。這種積體電路（IC）都是由大量的 AND 閘與 OR 閘與電子式可抹除可程式化唯讀記憶體（EEPROM）排列組合而成，IC 設計公司或系統整合商（SI）只要將這種製作好的半客製化積體電路（PLD、CPLD、FPGA）買來，再由工程師依照需要完成最後的電路連線工作，就完成可以銷售的積體電路（IC）了，不需要進行 IC 光罩與製造、IC 封裝與測試，因此成本較低可以少量製作。有點類似傳統印刷產業裏的「影印」，因為影印數量少的時候單價較低，如果影印的數量高達幾萬張，就要製版印刷才划算。

半客製化積體電路又可以分為可程式化邏輯元件（PLD：Programmable Logical Device）、複雜可程式化邏輯元件（CPLD：Complex Programmable Logical Device）、現場可程式化邏輯陣列（FPGA：Field Programmable Gate Array）、標準單元積體電路（CBIC：Cell based IC）等，如＜圖一＞所示，設計與製造的廠商多為國外大廠，例如：亞爾特（Altera）、賽靈思（Xilinx, XLNX-US）、萊迪斯（Lattice, LSCC-US）等公司。

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• 3D 感測技術：什麼是飛時測距（ToF：Time of Flight）

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資料傳輸率（Data rate）的單位是「每秒位元數（bps：bit per second）」，代表每秒可以傳送幾個位元，也就是每秒可以傳送幾個 0 或 1，例如：1Gbps（1G = 10 億）代表每秒可以傳送十億個位元（十億個 0 或 1），由於目前大部分的通訊系統都是屬於數位通訊，因此使用資料傳輸率來描述更恰當，資料傳輸率的大小是由傳輸介質與傳輸設備共同決定，頻寬愈寬通常可以提供更高的資料傳輸率，但是要記得，資料傳輸率的大小不只和頻寬有關，更和通訊的調變與多工技術有關，通訊的調變與多工技術是重要的觀念，我們會在後面詳細說明。

頻寬與資料傳輸率的差異

「頻寬（Bandwidth）」與「資料傳輸率（Data rate）」的意義很類似，常常讓我們混淆，有時候甚至積非成是大家都誤用了，這裡簡單說明它們之間的差別：

➤頻寬（Bandwidth）是類比訊號使用的名詞：電磁波是一種連續的波動能量，既然是連續的當然一定是類比訊號，因此「頻寬（Bandwidth）」和它的單位「赫茲（Hz）」指的都是電磁波在有線通訊介質（同軸電纜、雙絞銅線）或無線通訊（沒有介質）的物理特性。

➤資料傳輸率（Data rate）是數位訊號使用的名詞：當我們將類比訊號轉換為數位訊號，所有資料都會變成 0 與 1 兩種不連續的訊號，因此「資料傳輸率（Data rate）」和它的單位「每秒位元數（bps）」指的都是數位通訊時實際傳送每個位元資料的速率。

頻寬與資料傳輸率是不同的東西，重點是：數位訊號讓我們可以「利用不同的調變與多工技術使相同頻寬的介質具有更高的資料傳輸率」，這就是目前許多新的通訊技術，例如：3G 的 WCDMA、4G 的 OFDM 等被發明出來的原因，後面會再詳細說明。

最後要記得，我們到中華電信申請的 ADSL，或東森（2614-TW）寬頻申請的 Cable modem 等都是屬於數位通訊的產品，因此當我們要選擇 10Mbps、100Mbps 指的其實都是「資料傳輸率」，不應該說是「頻寬」，但是大家積非成是都說成是頻寬，下回別再用錯名詞囉！

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➤集中式資料庫系統（Centralized Database, CDB）：將資料集中儲存在一台資料庫伺服器，這樣容易管理資料但是風險較高，資料傳輸率容易受網路流量影響，而且所有資料都集中給一台伺服器處理，所以伺服器的負擔很重，如＜圖一＞所示。

圖一、集中式資料庫系統

➤分散式資料庫系統（Distributed Database, DDB）：將資料依照特性分散儲存在不同的資料庫伺服器，再以網路將這些伺服器連接起來，如＜圖二＞所示。

圖二、分散式資料庫系統

分散式資料庫系統的軟體架構

每台資料庫伺服器上都有「分散式資料庫」與「分散式資料庫管理系統」兩種不同的軟體，如＜圖二＞所示，各自負責不同的功能：

➤分散式資料庫（Distributed Database, DDB）：當資料儲存在分散式資料庫時，在邏輯上是屬於同一個資料庫系統，但是實際上資料是分散儲存在以網路連接的不同資料庫伺服器上，這樣可以分散風險，資料傳輸率不易受網路流量影響。

➤分散式資料庫管理系統（Distributed Database Management System, DDBMS）：是管理分散式資料庫的軟體，提供資料的分散儲存，但是使用者並不會認為他是在存取分散儲存的資料，對於使用者來說，感覺仍然是一個完整的資料庫，這是分散式資料庫系統很重要的特性，稱為「通透性（Transparent）」。

分散式資料庫系統的資料處理

要將資料分散到許多不同的資料庫伺服器上，必須先將資料進行前處理，首先必須將資料分割成較小的單位才能分散儲存，另外就是必須進行資料備份：

➤資料分割（Data fragmentation）：在資料儲存之前，必須先將資料分割成較小的單位稱為「片斷（Fragment）」，然後再以片斷為單位分散儲存在不同的資料庫伺服器，通常是在用戶端的應用程式來處理資料分割的工作。

➤資料複製（Data replication）：將資料分散儲存最大的目的就是確保資料不會損毀，因此資料複製建立備份是分散式資料庫系統的重點，其中原始資料庫稱為「主資料庫（Master database）」，複製的資料庫稱為「複製資料庫（Replica）」，在主資料庫和複製資料庫之間需要定時進行同步更新才能確保資料安全。

分散式資料庫系統的特性

➤增加資料庫系統的執行效能：在最近的地方就可以取得所需要的資料。

➤提高可靠性和可用性：就算有些伺服器當機或網路斷線，分散式資料庫系統仍然擁有足夠的妥善率，不會影響整個資料庫系統的運作。

➤更多的彈性和擴充性：因為資料是分散儲存在多台資料庫伺服器，要擴充只要增加伺服器同時進行設定即可，要重新配置資料庫伺服器也很容易。

➤分享的特性：資料庫伺服器的資料可以分享，也可以只讓區域的使用者存取。

➤系統複雜成本高：由於資料是分散儲存在各地的資料庫伺服器，所以分散式資料庫系統的複雜度相當高，相關的應用程式開發成本隨著分散程度而提高。

➤缺乏標準維護不易：目前並沒有分散式資料庫系統的官方標準，每家公司都使用自己的標準因此整合困難，系統維護不易，容易產生資料安全與整合問題。

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數位相機只能取得平面彩色影像，完全沒有深度的資訊，這代表當我們看到一張照片，只知道這個人的臉部有多寬多高，卻不知道他臉部的立體結構，例如：鼻子有多挺（有多深），為了取得影像的深度資訊，近年來許多廠商投入研發，目前比較成熟的技術有下列兩種：

➤ 飛時測距 （ToF：Time of Flight）：利用發光二極體（LED：Light Emitting Diode）或雷射二極體（LD：Laser Diode）發射出紅外光，照射到物體表面反射回來，由於光速（v）已知，可以利用一個紅外光影像感測器量測物體不同深度的位置反射回來的時間（t），利用簡單的數學公式就可以計算出物體不同位置的距離（深度），如＜圖一（a）＞所示。
➤ 結構光（Structured light）：利用雷射二極體（LD：Laser Diode）或數位光源處理器（DLP：Digital Light Processor）打出不同的光線圖形，經由物體不同深度的位置反射回來會造成光線圖形扭曲，例如：打出直線條紋的光線到手指上，由於手指是立體圓弧形造成反射回來變成圓弧形條紋，進入紅外光影像感測器後就可以利用圓弧形條紋反推手指的立體結構，如＜圖一（b）＞所示。

圖一、3D 立體影像感測技術原理示意圖。
資料來源：home.lagoa.com/2014/04/whats-the-right-3d-scanner-for-you。

TrueDepth 相機

蘋果（Apple, AAPL-US）將 iPhone X 所使用的 3D 立體影像感測技術稱為「TrueDepth相機」，結合了前面介紹的兩種技術，如＜圖二＞所示，TrueDepth 相機為 700 萬畫素的 CMOS 影像感測器，配合紅外光相機（Infrared camera）、泛光照明器（Flood illuminator）、接近感測器（Proximity sensor）、環境光感測器（Ambient light sensor）、點陣投射器（Dot projector）等元件，以下簡單介紹每個元件的功能：

➤泛光照明器（Flood illuminator）：使用「低功率」的垂直共振腔面射型雷射（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser），發射出「非結構（Non-structured）」的紅外光投射在物體表面。
➤接近感測器（Proximity sensor）：使用「低功率」的垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）發射紅外光雷射，當有物體靠近時會反射雷射光，因此手機可以知道有物體接近，這個元件很早之前智慧型手機就有了，一般都是安裝在擴音器（Speaker）旁邊，但是以前通常是使用紅外光發光二極體（IR LED），可以偵測的距離較短，當使用者撥電話並且將手機靠近耳朵時，接近感測器偵測到耳朵接近就知道使用者正要講電話，會自動關閉螢幕節省電力消耗。
➤環境光感測器（Ambient light sensor）：使用光感測器（PD：Photo Detector）可以偵測環境光亮度，在明亮的太陽下使用者眼睛瞳孔縮小，因此自動將螢幕調亮讓使用者容易觀看；在陰暗的室內使用者眼睛瞳孔放大，因此自動將螢幕調暗避免使用者感覺太刺眼。
➤點陣投射器（Dot projector）：使用「高功率」的垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）發射紅外光雷射，經由晶圓級光學（WLO：Wafer Level Optics）、繞射光學元件（DOE：Diffractive Optical Elements）等結構，產生大約 3 萬個「結構（Structured）」光點投射到使用者的臉部，利用這些光點所形成的陣列反射回紅外光相機（Infrared camera），可以計算出臉部不同位置的距離（深度）。

圖二、iPhone X 所使用的 3D 立體影像感測技術。
資料來源：蘋果官網

Face ID 解鎖原理與步驟

Face ID 解鎖主要分為兩個步驟，首先必須辨識接近手機的是否為刻意靠近的臉部，或者只是使用者不小心由手機前面晃過去而已；確認是刻意靠近的臉部之後，才開始進行人臉辨識，從前面的介紹可以發現，啟動 Face ID 解鎖必須同時開啟好幾個元件，是有些耗電的，因此必須確認是刻意靠近的臉部之後，才開始進行人臉辨識。

當有臉部或物體靠近時，會先啟動接近感測器（Proximity sensor），再由接近感測器發出訊號啟動泛光照明器（Flood illuminator），發射出非結構（Non-structured）的紅外光投射在物體表面，再由紅外光相機（Infrared camera）接收這些反射的影像資訊，傳送到手機內的處理器，iPhone X 使用蘋果自行開發的 A11 處理器，內建雙核心的「神經網路引擎（NE：Neural Engine）」，經由人工智慧的運算後判斷為臉部，再啟動點陣投射器（Dot projector） 產生大約 3 萬個光點投射到使用者的臉部形成「結構光（Structured light）」，利用這些光點所形成的陣列反射回紅外光相機（Infrared camera），經由這些光點的偏移計算出臉部不同位置的距離（深度），再將這些使用者臉部的深度資訊傳送到處理器，經由計算比對臉部特徵辨識是否為使用者本人。

所有的 3D 立體影像感測技術都面臨相同的問題，那就是深度資訊的精確度實際值大約只有 1%～0.1%，意思是距離 1 公尺遠的物體量測出來的精確度與誤差大約是 1~10 毫米的等級，Face ID 解鎖時臉部與手機的距離大約 0.1 公尺，因此精確度與誤差大約是 0.1～1 毫米的等級，這大概足夠進行臉部特徵辨識了！此外，點陣投射器（Dot projector）使用高功率的垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）發射紅外光雷射，雖然它的功率並不是真的很高，但是長期入射到眼睛是否會造成眼球的傷害，是另外一個值得醫學界研究探討的問題。

人工智慧的雲端與終端

人工智慧（AI：Artificial Intelligence）大量的學習與運算目前都借助於雲端伺服器強大的處理器來進行，早期使用 Intel（INTC-US）的「中央處理器（CPU：Central Processing Unit）」，後來科學家發現 Nvidia（NVDA-US）的「圖形處理器（GPU：Graphics Processing Unit）」效能比 CPU 高 100 倍以上，Intel 經由併購 Altera 取得「可程式化邏輯陣列（FPGA：Field Programmable Gate Array）」技術來與 GPU 抗衡。

另外有更多的廠商開發始發展「特定應用積體電路（ASIC：Application Specific Integrated Circuit）」，例如：Google（GOOGL-US）自行設計的「張量處理器（TPU：Tensor Processing Unit）」或 Intel 自行設計的「視覺處理器（VPU：Vision Processing Unit）」，就是一種針對人工智慧這種「特定應用」所開發的積體電路，以上這些處理器都是裝置在「雲端（Cloud side）」。然而並不是所有的應用都適合把大數據傳送到雲端處理，例如：自動駕駛車必須在車上「終端（Edge side）」進行學習與處理才能即時反應道路情況。

蘋果公司這次推出的 iPhone X 使用自行開發的 A11 處理器，內建雙核心的「神經網路引擎（NE：Neural Engine）」，專門處理影像辨識相關的機器學習、推論模型、演算法，也是一種針對人工智慧這種「特定應用」所開發的積體電路，不同的是它裝置在「終端（Edge side）」，也就是使用者的手機上，讓手機可以認識使用者的臉部特徵，蘋果公司也一再強調，使用者所有的臉部特徵都在手機終端完成，不會上傳到雲端處理，因此絕對不會有資料外洩的疑慮。

蘋果公司這次發表的 iPhone X 讓使用者能夠真實感受終端裝置的人工智慧（On-device AI），在可以預見的未來，終端的處理器如何與人工智慧結合形成「終端智能（Edge intelligence）」，將是愈來愈熱門的議題。

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太陽表面的溫度大約 5,500°C，主要的成份為氫和氦，由於太陽是氣體組成，在高溫下會形成電漿的狀態，同時不停地進行核融合反應（熱核反應）而產生巨大的能量，並且將能量以光能的型式傳送到地球。

太陽能是目前所有的再生能源中最成熟也最乾淨的一種，要利用太陽能，可以收集太陽的熱能或光能，目前比較常見的包括：太陽能熱水器、太陽熱能發電、太陽電池等三種，前兩種主要是利用熱能來產生能量，第三種主要是利用光能來產生能量。

此外，我們可以將太陽能集電板整合在建築物本體上，不但可以提供太陽能電力，更可以有效降低成本，經由建築師的設計可以讓建築物保持外觀的美觀與完整，稱為「建築整合型太陽光電系統（BIPV：Building Integrated Photo Voltaic）」。

太陽能熱水器

利用太陽的熱能，以太陽能集熱器來吸收太陽熱能，經過金屬板的導熱過程傳導到管內的水中，如＜圖一＞所示，這種設備主要只能提供熱水，一般都是應用在工廠或家庭。

圖一、太陽能熱水器。資料來源：經濟部能源局

太陽熱能發電

利用太陽的熱能，以跟隨太陽轉動的凹面鏡或平面鏡，把陽光集中於聚焦線上的真空隔熱吸收管中，透過熱交換劑（例如：氨）把熱量傳送給水，水被加熱以後產生水蒸氣推動汽輪機帶動發電機，目前較常使用的型式有拋物線槽式發電系統，如＜圖二（a）＞所示；與集中塔式發電系統，如＜圖二（b）＞所示。

這種設備主要是提供發電，在沙漠地區雨量很少，太陽日照時間很長，所以特別適合使用這種發電設備，例如：在美國內華達州的 Nevada Solar One 太陽能發電廠，裝置容量 64 百萬瓦（MW），每年可以產生 134 百萬千瓦小時（MKWh）的電力，設備建造耗費 2 億 5 千萬美元。

圖二、大陽熱能發電。資料來源：經濟部能源局

太陽電池（Solar cell）

利用太陽的光能照射在 P 型與 N 型的半導體上產生電洞與電子，將光能直接轉換成電能，如＜圖三＞所示。又可以分為矽半導體與化合物半導體太陽電池，這種設備主要是由於半導體的物理現象造成，可以直接提供電能，體積可大可小，最具有發展潛力，目前整個太陽能產業在討論的主要也是這種技術。

圖三、太陽電池的原理

太陽能的優點

➤普遍性：太陽光照射面積散布地球大部分角落，各處均可使用。

➤永久性：太陽的能量至少有六百萬年的期限，可供人類長期使用，反正太陽消失的時候地球也不可能存在了，不必擔心使用期的問題。

➤低污染：太陽能發電在使用的時候不會產生環境污染。

太陽能的缺點

➤能量密度低：收集太陽能需要廣大的土地，所以能量密度低，而且需要設計集熱器或適當的反射結構。

➤能量來源不穩定：無法連續使用，夜間無法使用，而且容易受地點與氣候影響，無法提供穩定的電力。

➤設備成本較高：太陽電池與集熱器成本高，只有染料敏化太陽電池成本最低，但是這種材料不但能量轉換效率很低，染料也無法承受陽光長期照射。

➤發電效率偏低：太陽電池的發電效率偏低，單晶矽最高可達 15%，化合物半導體雖然可達 30% 以上，但是成本極高，市場不易接受。

➤生產時消耗很大的能量：太陽電池必須使用純度極高的半導體，在生產的時候必須消耗很大的能量，也會產生環境污染，換句話說，太陽電池在使用的時候雖然不會產生環境污染，但是在製造的過程中仍然會產生環境污染。

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HEMT的構造

NMES 是很好的元件，但是仍然有許多缺點，例如：在砷化鎵中摻雜 N 型的區域雖然會增加導電性，但是摻雜是將雜質原子加入原有的單晶半導體中，必定會破壞原有的單晶結構而使原子排列變混亂，造成電子移動速度變慢；但是如果不摻雜則沒有足夠的電子，導電性不夠，兩者互相矛盾，因此科學家在導通電子的區域製作兩層的結構，如＜圖一＞所示：

➤下層電子通道：在砷化鎵基板上成長「無摻雜」的砷化鋁鎵磊晶，做為電子通道，由於沒有摻雜因此單晶結構原子排列非常整齊，電子可以快速移動。

➤上層產生電子：在無摻雜的砷化鋁鎵磊晶上面再成長 N 型（有摻雜）的砷化鋁鎵磊晶，摻雜後多出許多電子。

由＜圖一＞中可以看出，這樣的結構使電子在上層 N 型的砷化鋁鎵磊晶產生（有摻雜才容易產生電子），然後在下層無摻雜的砷化鋁鎵磊晶移動，因為無摻雜的砷化鋁鎵單晶結構沒有被破壞，電子可以快速移動，故稱為「高電子移動速度」。目前 HEMT 已經成功開發成商品，並且應用在高頻積體電路中，但是由於構造包括兩層磊晶，製造程序較為複雜，因此成本較高。

圖一　HEMT 的構造。

HEMT 開關（HEMT switch）

HEMT 開關的工作原理與 MOS 相同，如＜圖二＞所示，因為砷化鎵的製程技術沒有矽晶圓成熟，所以元件尺寸比較大，成本也比較高，但是砷化鎵的原子振動頻率比矽高，所以適合用來製作高頻積體電路。使用 HEMT 開關來製作「數位積體電路」，例如：處理器（CPU），工作頻率可以達到 10 GHz 以上，早期曾經使用這種處理器來製作超級電腦（Super computer），應用在軍事用途，由於成本太高最後放棄，目前超級電腦也是使用 CMOS 來製作處理器（CPU），只是同時有很多個處理器（CPU）一起工作來提昇運算速度，就是所謂的「多核心處理器」。

圖二　HEMT 開關的工作原理。

HEMT 放大器（HEMT amplifier）

MES/HEMT 放大器的工作原理與 MOS 相同，如 ＜圖三＞ 所示，使用 MES 放大器來製作類比積體電路，例如：射頻積體電路（RF IC）、功率放大器（PA）、低雜訊放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等，則工作頻率可以達到 10 GHz 以上，而且穩定性高、雜訊低，目前廣泛的應用在高頻無線通訊設備中，例如：行動電話、衛星通訊，因此 MES 大多做為「高頻放大器」使用。

圖三　HEMT 放大器的工作原理。

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顯示器用來顯示一個畫面的方法，是將一個畫面所要顯示的圖形或文字，切割成許多正方形的格子，這些格子稱為「畫素」，也有人稱為「像素」。

以＜圖一＞的照片為例，我們可以將圖中的照片切割成許多畫素，垂直方向切割成 1,920 行（直的為行），水平方向切割成 1,080 列（橫的為列），總共形成 200 萬（1,920 × 1080 ≅ 2000 × 1000 ≅ 200 萬）個畫素，稱為「全高密度（FHD：Full High Density）」。由於＜圖一＞的照片很小，故切割後的畫素也很小，眼睛很難分辨，因此看起來和沒有切割前是相同的。

如果將圖中下方的拱橋部分放大，則可以明顯看出其實圖中的拱橋是由許多顏色不同的正方形畫素組成。換句話說，只要能在一個畫面上顯示出許多不同顏色的畫素，而且每個畫素都足夠小使眼睛不易分辨，則我們便會將這個畫面看成是一個近似完美的圖片，這就是顯示器的原理了。

而且相同尺寸的顯示器，切割的畫素愈多，則畫素愈小，畫面愈細緻，解析度也愈高；切割的畫素愈少，則畫素愈大，畫面易呈鋸齒狀，解析度也愈差。

圖一、畫素的定義

解析度（Resolution）

用來定義一個畫面所能顯示圖形的細緻程度稱為「解析度」，相同大小的畫面，切割成不同數目的畫素，則形成不同的顯示器規格，如＜表一＞所示。

表一、不同畫面解析度的定義

➤FHD（Full High Definition）：為 1,920 行 × 1,080 列（大約 200 萬畫素），如＜圖二（a）＞所示，是目前家用液晶電視最常使用的規格，幾乎是眼睛所能分辨的極限了，由於使用者對於智慧型手機的顯示器規格要求愈來愈高，因此目前 5 吋以上的智慧型手機面板幾乎都是採用這種規格。

➤UHD 4K（Ultra High Definition 4K）：為 3,840 行 × 2,160 列，如＜圖二（b）＞所示，相當於 4 個 FHD 的解析度（大約 800 萬畫素），這麼高的解析度比較適合用在 60 吋以上的大型液晶電視。

➤UHD 8K（Ultra High Definition 8K）：為 7,680 行 × 4,320 列，如＜圖二（c）＞所示，相當於 16 個 FHD 的解析度（大約 3,200 萬畫素），這麼高的解析度應該要用在 100 吋以上的電視牆。

➤XGA（Extended Graphic Array）：1,024 行 × 768 列是早期個人電腦的顯示器，可能是液晶顯示器（LCD）或陰極射線管（CRT）最常使用的規格。

圖二、全高畫質（Full HD）與 UHD 4K、UHD 8K 的定義

顯示器的長寬比

此外值得注意的是，早期顯示器的規格長寬比為 4：3，而高密度電視的長寬比則更改為 16：9，也就是未來顯示器的外型變長了。

大家可以自行觀察自己的雙眼所能看到的視野，是比較接近正方形還是長方形？由於雙眼位於臉部的左方與右方，所以人類的視野是比較接近 16：9 的長方形，這也是為什麼電影的畫面會設計成 16：9 的原因了，但是早期的電視是使用陰極射線管，要製作 16：9 的畫面比較困難，因此最後決定製作 4：3 的畫面（接近正方形比較容易製作）。

由於目前顯示器技術的進步，要製作 16：9 的畫面已經沒有什麼困難了，反而是由於傳統電視的規格長期以來都是使用 4：3 的畫面，所以電視台的攝影機、放映機以及相關的設備所錄製的影片都是 4：3，要將 4：3 的畫面放映在 16：9 的電視機上反而會產生問題，唯一的解決方法是全面更換電視台所使用的設備。

由於目前正處於規格轉換期間，所以大多都只是將 4：3 的畫面「直接拉長」成為 16：9 的畫面，所以畫面裏的人看起來好像都「變胖」了。

每吋點數（dpi：Dot Per Inch）

此外，解析度也可以使用「每吋點數」來表示，也就是畫面中每一英吋（Inch）的邊長切割成多少個「點（Dot）」，也就是「畫素」。每吋點數愈多，代表將畫面切割成愈多的畫素，則畫素愈小，畫面愈細緻，解析度也愈高；每吋點數愈少，代表將畫面切割成愈少的畫素，則畫素愈大，畫面愈粗糙，解析度也愈差。

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鋰離子電池最常用的陽極材料有四種：

➤鋰離子嵌入石墨（Li／Graphite）：將鋰離子嵌入石墨中，鋰離子嵌入的極限值為 LiC6（每六個碳原子可以嵌入一個鋰離子），科學家發現，鋰離子嵌入愈多，則電池的能量密度愈高。

➤鋰離子嵌入氣相成長碳纖維（Li／VGCF）：將鋰離子嵌入氣相成長碳纖維（VGCF：Vapor Growth Carbon Fiber）中，由於碳纖維的碳原子距離較遠，可以嵌入更多的鋰離子。

➤鋰離子嵌入類碳聚合物（Li／Polymer Precursor）：將鋰離子嵌入類碳聚合物中，由於類碳聚合物原子排列混亂，可以提供更多的空間嵌入鋰離子。

➤鋰離子嵌入摻雜碳（Li／Doped Carbon）：先將其他元素（例如：硼、磷、氮）摻雜到碳材料中取代部分碳原子的位置，稱為「摻雜碳（Doped Carbon）」，這樣可以嵌入更多的鋰離子。

陰極材料（正極材料）

不同的鋰電池其實主要是使用的陰極材料（正極材料）不同，目前最常用的陰極材料共有三種：鋰鈷氧化物（LiCoO2）、鋰鎳氧化物（LiNiO2）、鋰錳氧化物（LiMn2O4），這些材料通稱為「鋰嵌入化合物（Lithium Insertion Compounds）」；三種陰極材料的比較如＜表一＞所示。

表一、鋰離子電池的陰極材料比較表（資料來源：電子時報、拓樸科技）

電解液

電解液可分溶劑與溶質兩部分，由於鋰遇到水會產生氫氣而爆炸，因此只能使用有機溶劑，例如：丙烯碳酸酯（Propylene Carbonate）、乙烯碳酸酯（Ethylene Carbonate）、乙烷碳酸酯（Dimethyl Carbonate）、丙酸（Propiolic Acid）、丁內酯（Butyrolactone）等；溶質一般為鋰離子化合物，例如：LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiBr 等。

鋰離子電池的容量

電池的容量一般使用的單位為「安培小時（Ah：A-hour）」或「毫安培小時（mAh：mA-hour）」，其中 1 安培（A）＝1,000 毫安培（mA）。假設某一顆電池的容量為 1,000 mAh（毫安培小時），則我們定義放電率如下：

➤放電率＝0.2C：代表以 200 mA（毫安培）放電，則可以使用 5 hr（小時）。

➤放電率＝1C：代表以 1,000 mA（毫安培）放電，則理論上可以使用 1 hr（小時）。

➤放電率＝2C：代表以 2,000 mA（毫安培）放電，則理論上可以使用 0.5 hr（小時）。

為什麼要強調「理論上」呢？科學家發現，同一顆電池，放電電流愈小，則化學反應較慢，可以放電的時間愈長；放電電流愈大，則化學反應較快，可以放電的時間愈短。換句話說，電池要慢慢放電才能使用更久（細水長流）。

當電池的規格書上寫電池的容量為 1,000 mAh（毫安培小時），通常必須同時註明是在放電率多少（幾 C）的情況下量測的。一般而言，電池廠商都是以放電率＝0.2C 的條件下量測電池的容量，放電率愈高（例如：1C 或 2C），則使用時間愈短，所以在上面的例子裡，以 200 mA 放電（0.2C）恰好可以使用 5 小時；以 1,000 mA 放電（1C）實際上只能使用「少於 1 小時」；以 2,000 mA 放電（2C）實際上只能使用「更少於 0.5 小時」。

鋰離子電池的單位

鋰離子電池組裝後的最小單位為「單位電池（Cell）」，常見的有平板形與圓柱形兩種，由於陽極材料、陰極材料、電解液之間的化學反應可以產生 3.7 V（伏特）的電壓，因此一般鋰電池的每一個單位電池（Cell）電壓為 3.7 V。

如果需要更高的電壓或更大的容量，則必須將單位電池（Cell）「串聯（S：Serial）」或「並聯（P：Parallel）」，串聯可以增加電壓；並聯可以增加容量。假設單位電池（Cell）的容量為 1,000 mAh（電壓為 3.7 V），則不同的串聯與並聯可以得到下面的結果：

➤2S1P：將 2 個單位電池串聯，使電壓加倍為 7.4 V，容量仍為 1,000 mAh。

➤1S2P：將 2 個單位電池並聯，使容量加倍為 2,000 mAh，電壓仍為 3.7 V。

➤2S2P：先將 2 個單位電池分別串聯後再並聯，總共 4 個單位電池，使電壓加倍為 7.4 V，容量加倍為 2,000 mAh。

鋰離子電池的活化（Formation）

鋰離子電池組裝完成後先靜置 12 小時，再測量內部阻抗，阻抗愈小，電池的性能愈好；接著將組裝好的電池進行第一次充電，我們稱為鋰電池的「活化（Formation）」，活化的條件很重要，會影響到出廠後電池性能的好壞，而且工業上也沒有一定的標準，因此如何進行活化通常是電池公司的重要機密；接著再進行能量密度測試、充放電次數測試、自放電效應測試、溫度測試等才能出廠。

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發光二極體的構造

發光二極體（LED：Light Emitting Diode）的構造如＜圖一（a）＞所示，外觀呈橢圓形，尺寸與一顆綠豆差不多，但是真正發光的部分只有圖中的「晶粒（Die）」而已，晶粒的尺寸與海邊的一粒砂子差不多，這麼小的一個晶粒就可以發出很強的光。由於發光二極體的晶粒很小，所以一片 3 吋的砷化鎵晶圓就可以製作數百個晶粒，切割以後再封裝，形成如＜圖一（b）＞的外觀，發光二極體的製程與矽晶圓的製程相似，都是利用黃光微影、摻雜技術、蝕刻技術、薄膜成長製作而成。

圖一、發光二極體（LED）的構造

發光二極體的工作原理

如果我們將＜圖一＞中的晶粒放大，如＜圖二＞所示，上下有金屬電極，中間有 N 型與 P 型的砷化鎵，當發光二極體與電池連接時，電子由電池的負極流入 N 型半導體，電洞由電池的正極流入 P 型半導體，電子與電洞在 P 型與 N 型的接面處結合，並且由晶粒的上方發光，經過橢圓形的塑膠封裝外殼，由於橢圓形的塑膠封裝外殼類似凸透鏡，具有聚光的效果，可以使發出來的光線「比較集中」。值得注意的是，真正能夠使發出來的光線集中成一束射出的半導體元件只有「雷射二極體（LD：Laser Diode）」，要讓光線集中成一束必須要有「共振腔（Cavity）」的結構才行。

圖二、發光二極體（LED）的工作原理

發光二極體的顏色

當我們對不同的化合物半導體材料施加電壓時，會使化合物半導體發出「不同顏色的光」，科學家們利用這種原理可以製作出不同顏色的發光元件，如＜表一＞所示，簡單說明如下：

➤磊晶法：是指成長化合物半導體的方法，「液相磊晶（LPE：Liquid Phase Epitaxy）」是使用加熱法使化合物半導體熔化為液體，再緩慢冷卻形成固體單晶結構；「有機金屬化學氣相沉積（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）」，是使用有機金屬氣體，直接噴在砷化鎵晶圓上形成單晶薄膜（磊晶）。

➤發光顏色：是指肉眼觀察發光二極體所放射出來的顏色，通常很接近中心波長的顏色。

➤碳化矽（SiC）：發光顏色為「藍綠色」，由於早期並沒有可以放射出藍光的發光二極體，所以大多使用碳化矽（SiC）做為藍光二極體，但是碳化矽放射出來的顏色並不是真正的藍色，而且元件的壽命不長（亮度會逐漸變弱），而可以在戶外播放真實影像的電視牆必須使用紅、綠、藍三原色組合而成，早期的電視牆沒有藍色（因為沒有藍光的發光二極體），所以只能播放跑馬燈（顯示文字或簡單的圖形），而不能播放真實的影像。

➤氮化鎵（GaN）：一直到 1995 年，日本日亞化學公司才發展出「氮化鎵（GaN）」發光二極體，可以放射出藍光，而且元件的壽命很長，但是氮化鎵磊晶和砷化鎵晶圓的原子大小相差很多（晶格不匹配），因此不能夠成長在「砷化鎵晶圓」上，必須成長在「藍寶石晶圓（氧化鋁單晶）」上。由於藍寶石晶圓價格很高，硬度又高不易加工，因此成本較高，再加上許多相關的專利都掌握在日本日亞化學公司手中，專利授權金造成藍光二極體的售價很高。

➤二六族「二元素」化合物半導體：包括硒化鎘（CdSe）、碲化鋅（ZnTe）、硫化鎘（CdS）、硒化鋅（ZnSe）、硒化硫（ZnS）等的發光二極體（單晶固體）由於元件的壽命不長，因此目前較少使用，但是這些材料與其他元素形成化合物的「多晶粉末」我們俗稱為「螢光粉」，目前廣泛地使用在傳統電子映像管顯示器、電漿顯示器、白光發光二極體等產品。除了二六族化合物半導體，科學家也陸續開發出許多不同成分的螢光粉，來增加發光亮度與使用壽命，螢光粉（多晶粉末）由於製作容易，成本很低。

表一、發光二極體的顏色

發光二極體的中心波長

「中心波長」是指發光二極體所放射出來的顏色相對的發光波長，由於不同顏色的光波長不同，所以發光二極體放射出不同的顏色就會有相對的發光波長。以「磷化鋁（AlP）」發光二極體為例，肉眼看到的顏色是「綠色」，但是其發光光譜如＜圖三（a）＞所示，由圖中可以看出，磷化鋁（AlP）發光二極體放射光的顏色由 0.45μm（藍綠色）～0.55μm（黃綠色）都有，所以並不是真正的綠色，而是許多波長混合起來的顏色，但是其中心波長 5.0μm（綠色）的光強度最高，所以肉眼看到的顏色是「綠色」，發光強度最強的波長稱為「中心波長」，換句話說，只要知道發光二極體放射光的中心波長，就知道肉眼看起來是什麼顏色了。

發光二極體放射出來的光譜具有一個波長範圍（0.45μm～0.55μm）的情形我們稱為「光不純」，真正可以放射出「光很純」的元件稱為「雷射（Laser）」，其發光光譜如＜圖三（b）＞所示，有看出兩個發光二極體與雷射所放射出來的光有什麼差別嗎？

圖三、發光二極體的中心波長

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頻寬的定義

頻寬的定義為「可以傳遞訊號的頻率範圍」，單位與頻率相同為「赫茲（Hz）」。我們以下面兩個觀念來說明頻寬的意義，請大家注意，通訊一定有「傳送端」與「接收端」，所以一定是成對的，我們總不會用手機一個人自言自語吧！

➤每一對通訊使用者必須使用一個「頻率範圍」來通話：通訊時不能只使用一個「頻率」，必須使用一個「頻率範圍」，這個頻率範圍稱為「頻寬（Bandwidth）」。我們說話不可能只有一種頻率，而會有高音（高頻）與低音（低頻）的變化，因此我們說話其實是發出某一個頻率範圍（頻寬）的聲音（聲波）。同理，當我們以高頻電磁波來傳送語音訊號時，也必須使用某一個頻率範圍（頻寬）才行。

➤不同對的通訊使用者必須使用「不同的頻率範圍」來通話：假設甲和乙使用頻率 900～901MHz 的電磁波通話，則丙和丁使用頻率 901～902MHz 的電磁波通話。手機並不會分辨到底是誰和誰在通話，而是接收「某一個頻率範圍」，因此甲與乙的手機接收頻率 900～901MHz 的電磁波，而丙與丁的手機接收頻率 901～902MHz 的電磁波，換句話說，所有的通訊元件都是「只認頻率不認人」。如果甲的手機可以同時接收頻率 900～901MHz 與 901～902MHz 的電磁波，則他會同時聽到乙、丙、丁三個人的聲音。

第二代行動電話（GSM900）的頻寬

第二代行動電話 GSM900 系統使用數位訊號，頻譜分佈如＜圖一＞所示，總頻寬為 70MHz（890～960MHz），由於手機可以同時上傳（說）與下載（聽），因此必須將頻寬再切割成上傳 890～915MHz 與下載 935～960MHz 兩個部分：

➤上傳頻帶（Uplink）：使用 890～915MHz 由手機傳送電磁波到基地台（說），其中每個語音通道的頻寬為0.2MHz（200KHz），頻道與頻道之間保留 1.6KHz 做為保護帶，總共分為 124 個語音通道，同時可以提供 124 個人使用（說）。

➤下載頻帶（Downlink）：使用 935～960MHz 由基地台傳送電磁波到手機（聽），其中每個語音通道的頻寬為0.2MHz（200KHz），頻道與頻道之間保留 1.6KHz 做為保護帶，總共分為 124 個語音通道，同時可以提供 124 個人使用（聽）。

圖一、第二代行動電話GSM900系統的電磁波頻譜

當我們使用手機通話，必須同時佔用一個上傳語音通道與一個下載語音通道，每個語音通道的頻寬愈寬，則音質愈好，但是總通道數目愈少，代表愈少人可以同時使用；相反地，每個語音通道的頻寬愈窄，音質愈差，但是總通道數目愈多，代表愈多人可以同時使用，魚與熊掌不可兼得，目前 GSM 系統使用 0.2MHz（200KHz）的語音通道，音質和傳統的收音機（AM 或 FM）差不多，尚可接受。

有沒有人覺得好奇，前面的介紹看起來 GSM900 系統「同時」可以提供 124 個人使用（說與聽），但是如果超過 124 個人想打電話怎麼辦呢？你（妳）會聽到系統說：現在線路都在使用中，請您稍後再播。代表沒有多的語音通道可以使用，那麼 124 個語音通訊會不會太少了一點？隨便也會有超過 124 個人同時想打電話呀！怎麼辦呢？繼續看下去吧！

【注意】
➤全雙工（Full-duplex）：讓使用者同時可以上傳與下載（說與聽）。
➤分頻雙工（FDD）：使用不同的頻率範圍（頻寬）來上傳與下載（說與聽）。
➤分頻多工接取（FDMA）：利用不同的頻率範圍（頻寬）給不同的使用者同時使用。有線電視的頻寬

早期有線電視為類比訊號，大部分的頻寬用來傳送類比有線電視頻道，頻譜分佈如＜圖二＞所示，總頻寬大約 750MHz，可以分為下列三個部分：

➤上傳頻帶（10MHz～42MHz）：總頻寬為 32MHz（42MHz～10MHz）保留將訊號由用戶端上傳到電視台使用，但是這個頻率範圍的電磁波容易受到業餘無線電廣播的干擾而產生雜訊，因此使用上限制較多。

➤類比有線電視頻帶（54MHz～630MHz）：總頻寬為 576MHz（630MHz～54MHz），用來傳送類比有線電視訊號，每個電視頻道的頻寬為 6MHz，頻道與頻道之間保留 0.2MHz 做為「保護帶（Guard band）」，以避免不同的頻道之間互相干擾，總共有 92 個頻道。例如：頻率 54～60MHz 傳送 HBO、頻率 60.2～66.2MHz 傳送 CNN 等，依此類推，當我們在電視機前面用搖控器選台，其實就是改變電視的接收頻率範圍而已，當電視接收 54～60MHz 的電磁波，則畫面就播放 HBO 的電影；當電視接收 60.2～66.2MHz 的電磁波，則畫面就播放 CNN 的新聞。

➤數位頻帶（630MHz～750MHz）：總頻寬為 120MHz（750MHz－630MHz），用來傳送數位電視、纜線數據機（Cable modem）、互動加值電視等數位訊號，這個頻率範圍的電磁波是最穩定的。

圖二、有線電視的電磁波頻譜

其中類比有線電視每個頻道的頻寬愈寬畫質愈好，但是總頻道數目愈少（電視台數目愈少）；相反地，每個電視台的頻寬愈窄畫質愈差，但是總頻道數目愈多（電視台數目愈多），魚與熊掌不可兼得，因此最後決定使用 6MHz 的頻寬，大約可以傳送 1 個解析度為 VGA（640×480）的類比影像，看起來畫質不好，而且類比訊號容易受到干擾，畫面看起來常常閃爍像在下雨一樣，實在很不舒服。此外，早期有線電視為類比訊號，大部分的頻寬用來傳送類比有線電視頻道，只有 630～750MHz 的頻寬用來傳送數位電視與纜線數據機。

隨著技術的發展未來有線電視全面數位化是必然的趨勢，由於原有的類比有線電視台仍在播送，因此只能慢慢將頻道收回來改為數位有線電視使用，此外，最新的技術可以使用同軸電纜傳送最高 860MHz，甚至 1GHz 的電磁波來增加頻寬，但是要再提高頻率則有困難，因為同軸電纜適合用來傳送 MHz 的電磁波，如果是 GHz 的電磁波必須改用波導做為介質才合適。

【實例】類比電視與數位電視
➤類比電視：早期有線電視為類比訊號，大部分的頻寬用來傳送類比有線電視頻道，由＜圖一＞的例子可以看出，類比有線電視每個頻道的頻寬為 6MHz，這樣的頻寬大約可以傳送 1 個解析度為 VGA（640×480）的類比影像，總頻寬有576MHz（54～630MHz）只能傳送 92 個解析度為 VGA（640×480）的類比影像。

➤數位電視：目前有線電視慢慢改為數位訊號，由＜圖一＞的例子可以看出，如果改用數位調變技術（256QAM）則 6MHz 的頻寬最多可以傳送大約 20 個解析度為 VGA（640×480）的數位影像，等於將頻寬增加 20 倍，總頻寬只有 55MHz（630～685MHz）就可以傳送大約 180 個解析度為 VGA 的數位影像，數位訊號真的比較厲害吧！到底是為什麼呢？我們將在後面詳細討論。

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以下正文開始

雷射二極體 的 構造

雷射二極體（LD）的構造如＜圖一＞所示，外觀呈圓柱形，通常會依照封裝的不同而有不同的形狀，但是真正發光的部分只有「晶粒（Die）」而已。晶粒的尺寸與海邊的一粒砂子差不多，這麼小的一個晶粒就可以發出很強的光，由於雷射二極體的晶粒很小，所以一片 3 吋的砷化鎵晶圓就可以製作數百個晶粒，切割以後再封裝，目前主要分為下面兩大類：

➤邊射型雷射（EEL：Edge Emitting Laser）：磊晶平面在水平方向，切割後在晶粒左右側邊蒸鍍金屬反射薄膜，雷射光沿水平方向（在磊晶平面內）來回共振，由右側邊射出，所以稱為「邊射型」，如＜圖一（a）＞所示，這種雷射功率高，但是投射出來的光場呈橢圓形，由於光纖的纖核是正圓形，因此連接到光纖時能量損失較大。

➤面射型雷射（SEL：Surface Emitting Laser）：磊晶平面與金屬反射薄膜都在垂直方向，切割後雷射光沿水平方向（與磊晶平面垂直）來回共振，由磊晶表面射出，所以稱為「面射型」，如＜圖一（b）＞所示，這種雷射功率低，但是投射出來的光場呈正圓形，由於光纖的纖核是正圓形，因此連接到光纖時能量損失較小。

圖一、雷射二極體封裝後的外觀

FP 雷射（Fabry-Perot Laser）

如果我們將＜圖一＞中的晶粒放大，得到如＜圖二＞的構造，中央部分發光區為砷化鎵磊晶，上下有 P 型與 N 型的砷化鋁鎵磊晶，最上面與最下面則有金屬電極，並且將晶粒切開以後，在左右側面蒸鍍金屬薄膜形成「共振腔（Cavity）」。

當雷射二極體與電池連接時，電子由電池的負極流入 N 型砷化鋁鎵磊晶，電洞由電池的正極流入 P 型砷化鋁鎵磊晶，電子與電洞在中央發光區的砷化鎵磊晶結合，並且沿左右水平方向發光，但是左側蒸鍍金屬薄膜較厚形成反射鏡（100% 反射），右側蒸鍍金屬薄膜較薄也形成反射鏡（99% 反射、1% 穿透），發光區發射出來的光經由左右兩個反射鏡來回反射產生「共振放大」，由於右方的反射鏡設計可以穿透 1% 的光，所以雷射光就由右方穿透射出，如＜圖二＞所示。

這種半導體雷射的結構最簡單，稱為「FP 雷射（Fabry-Perot Laser）」，由於雷射光是從晶粒的側邊射出，因此屬於「邊射型雷射（EEL）」。

圖二、FP 雷射（Fabry-Perot Laser）的晶粒構造與原理示意圖

由於邊射型雷射的雷射光是由側邊射出，因此側邊的形狀決定了光場的形狀，大家可以自行觀察＜圖二＞中 FP 雷射晶粒由右側看入其實是長方形，因此雷射光向右側發射出來的光場形狀應該是長方形，雷射光行走一段距離以後，由於長方形四個角落的光強度比較弱，所以光場形狀會慢慢地變成橢圓形，由於光纖的纖核是正圓形，因此連接到光纖時能量損失較大。

FP 雷射的優點為構造簡單，價格較低；缺點是光不夠純（發光波長分布範圍較大），由於光通訊產業上所使用的光纖會有「材料色散（Material Dispersion）」，是由不同波長（不同顏色）的光，在相同的介質中傳播的速度不同所造成，必須使用「雷射二極體」取代「發光二極體」做為傳送端光源，而且光的純度愈高愈好，因此，如何將雷射二極體的光純度變高就成了很重要的發展方向。

垂直共振腔面射型雷射（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）

垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）的構造如＜圖三（a）＞所示，直接使用「分子束磊晶（MBE：Molecular Beam Epitaxy）」或「有機金屬化學氣相沉積（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）」在砷化鎵晶圓上成長數十層 N 型砷化鋁鎵磊晶（每一層之間折射率不同），接著再成長一層砷化鎵磊晶做為發光區，再成長數十層 P 型砷化鋁鎵磊晶（每一層之間折射率不同），最後在晶圓的上下兩面各成長一層金屬電極，並且使用化學蝕刻將上方的金屬電極打開一個圓形孔洞，讓雷射光可以由上方發射出來。

由於雷射光是從磊晶的表面射出，因此屬於「面射型雷射（SEL）」。

圖三、垂直共振腔面射型雷射（VCSEL）的晶粒構造與原理示意圖

由＜圖三（a）＞中可以看出，這種雷射的每一層磊晶都很薄，所以雷射光是沿垂直方向上下前進，在上下兩個金屬電極之間產生共振，並且由上金屬電極的圓形孔洞射出，所以光場形狀可以保持正圓形，由於光纖的纖核是正圓形，因此連接到光纖時能量損失較小。

上下兩個金屬電極可以施加電壓，同時也可以當作反射鏡使雷射光產生共振。數層不同的 P 型與 N 型半導體故意讓每一層之間折射率不同，所以沿著垂直方向形成光柵結構，可以使光變純（波長範圍變小），最重要的是，這種雷射不需要先將晶粒切開以後再成長金屬薄膜反射鏡面共振腔，可以直接在晶圓的上下兩面各成長一層金屬電極當成反射鏡面共振腔，所以可以在一片晶圓上同時製作數百個雷射，形成「雷射陣列（Laser Array）」，如＜圖三（b）＞所示，並且同時將許多根光纖分別連接到每個雷射上方，應用在光纖「骨幹網路（Backbone）」。

雷射二極體（LD）與發光二極體（LED）的比較

➤雷射二極體的光發散角很小：發光二極體沒有共振腔，所以發散角很大，如＜圖四（a）＞所示，光束離開以後很快就分散開來；雷射二極體具有共振腔，可以使光束沿反射鏡方向發射，所以發散角很小，如＜圖四（b）＞所示，可以維持一道光束發射到很遠的地方。

圖四、雷射二極體的光發散角很小

➤雷射二極體的光純度很高（發光波長範圍很小）：發光二極體沒有光柵結構，無法使光變純，如＜圖五（a）＞所示；雷射二極體具有光柵結構，可以使光變純（波長範圍變小），如＜圖五（b）＞所示。只有一種發光波長的頻譜如＜圖五（b）＞中的紅色曲線所示，這種元件並不存在。

其實光純與不純很難從肉眼看出來，因為人的眼睛永遠只對亮度最強的波長的光感受最強，如果一定要描述肉眼看到雷射光與發光二極體的光有什麼不同，那麼只能說：當肉眼看到很純的雷射光，會從心裡產生一股莫名的感動，至於什麼是「莫名的感動」就「只可意會，不可言喻」囉！

圖五、雷射二極體的光純度很高

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

其他詳細內容請參考「光電科技與新儲存產業，全華圖書公司」。

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電漿螢幕（PDP：Plasma Display Panel）的外觀如＜圖一＞所示，如果我們將電漿螢幕的某一部分放大，可以得到許多正方形的「畫素（Pixel）」，同時將每個畫素再切割成紅（R）、綠（G）、藍（B）三種不同顏色的「次畫素（Sub-pixel）」，不停地反覆的排列，和其他種類的螢幕是類似的。

圖一、電漿螢幕（PDP）的外觀（資料來源：NEC42 吋電漿電視）

如果我們再將電漿螢幕的某一個畫素放大，如＜圖二＞所示，則由後方向前方依序為後玻璃基板、鋁電極、螢光粉、阻隔物、氧化鎂層、透明電極、前玻璃基板等，它的構造比液晶螢幕簡單許多，因此材料成本也比較低。

圖二、電漿螢幕（PDP）的構造示意圖

 電漿螢幕的原理

電漿螢幕是使用「0.5% 氬氧」與「99.5% 氖氣」混合做為工作氣體，經由後玻璃基板的金屬鋁電極與前玻璃基板的透明電極外加電場，使氣體原子變成離子與電子（電漿），當電漿中的離子與電子結合後會放出紫外光，紫外光照射到紅、綠、藍三種顏色的螢光粉以後，會使螢光粉發出三種顏色的光。

如果我們單獨控制每一個畫素的紅、綠、藍發出不同亮度的光，就可以組合成某一種顏色，每一個畫素可以顯示不同的顏色，則可以排列成一個畫面了。大家別忘記，「要以能量大的光（例如：紫外光），照射到半導體，才能使半導體發出能量小的光（例如：藍光、綠光、紅光）」。

 電漿螢幕的種類

電漿螢幕依照外加電壓為交流電（AC）或直流電（DC）的不同，可以分為「交流電型電漿螢幕（AC-PDP）」與「直流電型電漿螢幕（DC-PDP）」兩種，它們的比較如＜表一＞所示：

• 交流電型電漿螢幕（AC-PDP）：使用交流電產生電漿，阻隔壁呈直條狀構造比較簡單，有保謢層覆蓋透明電極，所以電漿不容易和透明電極反應，使用壽命比較長，交流放電產生的電漿反應較慢，必須使用半導體製程製作，投資金額較大，成本較高。
• 直流電型電漿螢幕（DC-PDP）：使用直流電產生電漿，阻隔壁呈細胞狀構造比較複雜，沒有保謢層覆蓋透明電極，所以電漿容易和透明電極反應，使用壽命比較短，直流放電產生的電漿反應較快，可以使用傳統的印刷製程製作，投資金額較小，成本較低。

表一、電漿螢幕的種類
（資料來源：張德安、鄭玫玲，電漿平面螢幕，全華科技圖書股份有限公司；日債銀總合研究所產業調查部）

電漿螢幕的優點

• 厚度薄：由於電漿螢幕並不使用電子束，不需要像陰極射線管一樣在螢幕表面依序掃描，所以不需要太厚的厚度。
• 材料成本低：由於電漿螢幕並沒有使用太昂貴的材料來製作，所以材料成本不高。
• 沒有視角的問題：沒有利用液晶分子使極化光旋轉的原理，所以不像液晶螢幕（LCD）一樣有視角的問題。

電漿螢幕的缺點

• 耗電量高：要在整個大尺寸的平面螢幕上產生電漿，必須在整個平面螢幕上施加電壓，由於氣體本身並不導電，因此耗電量比較高。
• 使用壽命較短：電漿中的電子撞擊螢光粉，會使螢光粉產生化學反應，也可能因為氣體不純（含有氧氣），氧氣離子活性較高會與螢光粉反應，造成顏色變淡，所以使用壽命較短。

市場實例：為什麼液晶螢幕（LCD）能夠打敗電漿螢幕（PDP）？

大家可以自行比較液晶螢幕與電漿螢幕的材料成本，由於液晶螢幕需要背光模組、偏光片、彩色濾光片等材料，所以材料成本比電漿螢幕高出許多，特別是大尺寸的螢幕，但是在市場上電漿螢幕卻沒有比液晶螢幕便宜很多，為什麼呢？

由於液晶螢幕是由小尺寸做起，14 吋、17 吋、19 吋，並且在市場上賺到許多錢，可以拿賺到的錢再投資研發，改進製程技術，使生產成本不斷下降，所以大尺寸的液晶螢幕價格也不斷下降。

相反的，電漿螢幕是由大尺寸做起，40 吋、50 吋、60 吋，一開始價格就很高，市場很小，也沒有賺到什麼錢，因為無法拿賺到的錢再投資研發，不容易改進製程技術，使生產成本無法下降。

在這個例子裡大家一定要記得，產品的售價除了與生產成本有關，也與市場大小有關，必須同時考量才行。

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• 陰極射線管顯示器（CRT）的構造與原理
• 彩色顯示器（Color display）是什麼？

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陰極射線管（CRT）是利用電子「熱游離」的原理所製作的螢幕，在螢幕表面塗佈螢光粉，分別以三支電子槍發射出三道電子束撞擊螢光粉而發出紅（R）、綠（G）、藍（B）三種顏色的光。先製作一支前粗後細的玻璃管，將鎢絲放入玻璃管較細的一端，並且將玻璃管抽成真空，如＜圖一（a）＞為傳統電視機的府視圖，觀看電視的人眼睛由右向左看。

由於陰極射線管是使用「熱游離」的方式產生電子束，所以會對鎢絲施加數千伏特以上的高電壓使鎢絲發熱，配合尖端放電的原理使電子射出形成電子束，並且使用「電磁透鏡（電磁鐵）」來控制電子束前進的方向，在螢幕表面依序掃描，才能顯示出不同的影像，由於電磁透鏡不易使電子束快速轉向，電子束必須行走一段足夠的距離以後才能被轉向到螢幕邊緣，因此陰極射線管螢幕的厚度很厚，如＜圖一（a）＞所示。

＜圖一（b）＞為電子束在螢幕表面的掃描順序，由上到下、由左到右，螢幕的橫向掃描線稱為「線（Line）」，由上到下依序為 Line 1、Line 2、Line 3…，螢幕的橫向掃描線總共有多少條要由螢幕的解析度來決定，如果解析度是 VGA（640 行 × 480 列），則每一條掃描線有 640 個畫素，掃描線總共有 480 條。

圖一、陰極射線管的構造示意圖。（資料來源：趙中興，螢幕原理與技術，全華圖書股份有限公司）

陰極射線管的呈像原理

如果由傳統電視機的正面看過去，如＜圖二（a）＞所示，則在玻璃面板的內部有螢光粉塗佈在表面，其排列依次為紅（R）、綠（G）、藍（B）不停地反覆，每一組 RGB 稱為一個「畫素（Pixel）」。彩色電視機的電子槍總共有三支，同時會發射出三道電子束，由電視機的正後方射向玻璃面板上的螢光粉，因此同一個時間螢幕上只會有一個畫素的 RGB 被點亮，如＜圖二（b）＞所示。

假設第一個瞬間（第 0.1 微秒）左上角的第一個畫素被點亮，則下一個瞬間（第 0.2 微秒）左上角的第二個畫素被點亮，再下一個瞬間（第 0.3 微秒）左上角的第三個畫素被點亮，如＜圖二（b）＞所示，依此類推，如果這台電視機的解析度是 VGA（640 行 × 480 列），則三道電子束必須要在 1 秒鐘之內掃描整個畫面 30 次以上（30fps），電視機的畫面才能讓肉眼看起來是連續的動作。

圖二、陰極射線管（CRT）的呈像原理。（資料來源：飛利浦（Phillips, LIGHT-NL）29 吋電視）

交錯式與非交錯式陰極射線管

• 交錯式（Interlace）：電子束在 1／30 秒鐘內掃描畫面的奇數行（Line 1、Line 3、Line 5…），下一個 1／30 秒鐘內掃描畫面的偶數行（Line 2、Line 4、Line 6…），因為先掃描奇數行再掃描偶數行，故稱為「交錯式（Interlace）」，這種電視畫面看起來會有點閃爍，對眼睛比較不好，但是電子束掃描速度比較慢，製作比較容易，成本比較低。
• 非交錯式（Non-interlace）：電子束在 1／30 秒鐘內掃描畫面的所有行（Line 1、Line 2、Line 3…），這種電視畫面看起來不會閃爍，對眼睛比較好，但是電子束掃描速度比較快，製作比較困難，成本比較高。

陰極射線管的優點

• 價格較低：陰極射線管的材料成本很低，而且製造困難度也不高，因此價格比較低，是目前市面上最便宜的一種螢幕。
• 沒有視角的問題：沒有利用液晶分子使極化光旋轉的原理，所以不像液晶螢幕（LCD）一樣有視角的問題。
• 色彩真實明亮：使用電子束照射螢光粉，會讓螢光粉發出真實明亮的光，眼睛看起來很清晰，所以許多進行色彩調配的工作人員（例如：印刷廠），仍然使用陰極射線管而不使用液晶螢幕（LCD）。

陰極射線管的缺點

• 厚度較厚：由於電磁透鏡不易使電子束快速轉向，電子束必須行走一段足夠的距離以後才能被轉向到螢幕邊緣，因此的厚度很厚、體積較大。
• 螢幕呈圓弧形：如＜圖一（a）＞所示，如果將「鎢絲」的位置當成圓心，則「玻璃面板」的位置恰好為圓弧，這樣由鎢絲到玻璃面板的中央部位或邊緣部位的距離才會相同（圓心到圓弧的距離固定為半徑），電子束才能同時到達，影像才不會扭曲，但是也因為這個限制，造成螢冪呈圓弧形，大家可以自行觀察家中傳統電視的四個角落，是不是有一點向內凹呢？整個玻璃面板看起來像是一個球面而不是平面。

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• LCD 是什麼？液晶顯示器的構造
• 畫素與解析度是什麼？

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原子的中心是原子核（帶正電），原子核外圍繞著許多電子（帶負電），當我們對原子施加能量（光能或電能），則可以將原子核外的一個電子趕走，如＜圖一（a）＞所示，換句話說，原子核外的某一個電子吸收能量，而離開了原來的位置跑掉，產生一個帶正電的「離子（Ion）」與跑掉的那一個帶負電的「電子（Electron）」。

圖一、離子與電漿

我們以氬氣為例說明氣體發光的原理：氬原子的原子核帶電量 +18，原子核外有 18 個電子（帶電量 -18）繞著原子核運作，當我們對氬原子施加能量（光能或電能）的時候，氬原子的一顆電子會吸收能量而跳出來，如＜圖一（a）＞所示，此時氬原子的原子核帶電量 +18，但是只剩下 17 個電子（帶電量 -17），正負互相抵消後仍然帶正電（+1），這個帶正電的東西稱為「氬離子（Argon ion）」。

反過來說，如果某一個氬離子（帶電量 +1）恰好遇到了另外一個電子（帶電量 -1），不論這個電子是原來他自己的（自己在形成氬離子的時候跳出來的）或是別人的（別的氬原子在形成氬離子的時候跳出來的），受到「異性相吸」的現象影響，氬離子與電子會重新結合變回氬原子，同時放出能量，如＜圖一（b）＞所示。

既然氬原子形成氬離子與電子時要吸收能量（光能或電能），則當氬離子與電子重新結合成氬原子時，就應該放出能量（光能或熱能），而且當時分開吸收多少能量，現在結合就放出多少能量，這個現象稱為「能量守恆定律（Energy conservation）」。有趣的是，在科技產品中吸收的能量可以是「光能或電能」，但是放出的能量一般都是「光能或熱能」，這就是許多科技產品會發光（例如：發光二極體），要不然就會發熱（例如：個人電腦的處理器）的原因。

電漿（Plasma）

當一團氣體原子（好多好多個原子）同時被解離成一團氣體離子與電子（好多好多個離子與電子）的時候，這一團氣體離子與電子就稱為「電漿（Plasma）」。以氬氣為例，當我們對一團氬原子施加能量（光能或電能），則可以使許多氬原子變成氬離子與電子，這一團氬離子與電子就稱為「氬電漿（Argon plasma）」。

一般人對電漿這個名詞可能覺得很陌生，但是卻天天都看到，家庭中使用的日光燈、廣告用的霓虹燈、下雨天發生閃電打雷與南北極的極光等，都是因為電漿而產生的發光現象。

以日光燈為例，將一支細長的玻璃管抽成真空，再灌入少量「惰性氣體（例如：氬氣）」與「汞蒸氣」，在玻璃管的兩端安裝兩個金屬電極，如＜圖二（a）＞所示，金屬電極會將電能不停地送入玻璃管中，玻璃管中的氣體「吸收電能」而產生氣體離子與電子（電漿），當氣體離子與電子結合時則會放出「光能與熱能」，因此可以提供我們照明，只要電能源源不斷地輸入，光能就會不停地輸出，直到我們將電源切斷為止。

圖二、日常生活中常見的電漿反應

值得注意的是，不同原子的原子核與電子的吸引力不同，因此要讓原子核與電子分開所需要的能量不同，當然原子核與電子結合後釋放出來的能量亦不同，釋放出來的光能量不同代表「發光的顏色不同」，廣告招牌使用的霓虹燈就是在玻璃管內充入不同的「惰性氣體（例如：氦、氖、氬等）」，使得發出來的光呈現各種不同的顏色變化。

日光燈與霓虹燈會發出不同顏色的光，除了與它們使用不同的氣體有關，還與它們所使用的「螢光粉」有關，這個部分將在〈光電顯示產業〉詳細介紹。

閃電打雷是由於下雨天有許多雲層會帶電，而且大自然的雲層所帶的電壓都在數百萬伏特以上，當相鄰的兩片雲層分別帶有大量的正電荷與負電荷時，會在某一瞬間產生放電，將能量轉移給兩片雲層之間的空氣（氮氣與氧氣），使氮氣與氧氣的電子跳出來形成氮離子、氧離子與電子，當氮離子、氧離子與電子結合時會將能量以光能的形式釋放出來，那道光芒就是我們所看到的閃電，如＜圖二（b）＞所示，而放電時會使周圍的空氣產生振動而發出巨響，就是我們聽到的打雷。

極光是在高緯度（南極或北極）的天空，由於太陽風或磁場產生帶電的高能量粒子，這些高能量粒子和高空中大氣層的氣體原子碰撞，將能量轉移給氣體原子而產生電漿，如＜圖二（c）＞所示。

【注意】

• 電漿（Plasma）：在工程應用上我們不可能取出「一個」氣體離子與電子來工作，所以一般都是取出「一團」氣體離子與電子來工作，而這一團氣體離子與電子我們就稱為「電漿（Plasma）」。
• 霓虹燈（Neon lamp）：要使不同原子的電子跳出來所需要的能量大小不同，因此不同的離子與電子結合時產生的光能量（顏色）也不同，可以用來製作不同顏色的霓虹燈。

【生活常識】日光燈

我們常常聽到 T5、T8、T9 日光燈，其實指的是日光燈的管徑，T8 與 T9 是指管徑 8／8 與 9／8 英吋，就是我們早期使用的傳統日光燈；T5 是指管徑5／8 英吋，燈管比較細使用時比傳統的 T8、T9 日光燈省電 50%。

傳統的白熾燈泡使用鎢絲發光，而鎢絲發出來的光 90% 是紅外光，眼睛根本看不到，只能產生熱能而已，只有少量的可見光用來照明，所以浪費電；而省電燈泡其實就是日光燈，發出來的光大部分是可見光，所以省電燈泡比白熾燈泡「省電」，但是要注意，省電燈泡就是日光燈，所以並沒有比日光燈省電哦！千萬不要因為它多了「省電」兩個字而弄錯了。

大家有沒有好奇，省電燈泡為何不像白熾燈泡一樣做成球形的就好，卻要像日光燈一樣用玻璃管「繞成」奇怪的形狀呢？那是因為要產生電漿必須將金屬電極設計在兩端，而且要有一定的距離讓電子加速撞擊原子，才能容易把原子核外的電子撞擊出來產生電漿，球形的結構不適合產生電漿，所以只好用玻璃管「繞成」奇怪的形狀囉！

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

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• LED 是什麼？發光二極體的構造
• LCD 是什麼？液晶顯示器的構造

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彩色顯示器是指畫面中的每一個畫素都可以顯示各種不同的顏色，一般用來顯示彩色圖形或彩色影片，如＜圖一（a）＞所示；當我們將圖中的拱橋放大，可以看出拱橋是由一個一個不同顏色的畫素排列而成，如＜圖一（b）＞所示。畫素通常很小，用眼睛無法分辨，最重要的是，彩色顯示器的每個畫素必須可以顯示各種不同的顏色，才能組合成真實的影像。

每個畫素都可以顯示各種不同的顏色，必須利用「光的三原色」，也就是以紅（R）、綠（G）、藍（B）三種顏色「不同亮度」組合成連續光譜中幾乎所有可見光的顏色；而不同亮度就是「灰階」，所以不同亮度的紅色稱為「紅階」，不同亮度的綠色稱為「綠階」，不同亮度的藍色稱為「藍階」。

我們先將每一個畫素切割成三個「次畫素」，分別代表 RGB 三種顏色，如＜圖一（c）＞所示，再分別使用前面介紹過的直接電壓調變法、次畫素法或驅動電壓調變法來控制紅階、綠階與藍階。由於次畫素非常微小，大約只有數十微米，眼睛當然無法分辨，只能隱約看成一個畫素，所以紅階、綠階與藍階三種顏色自然也被隱約混合成一種顏色了。

圖一、彩色顯示器（資料來源：www.ntu.edu.tw）

全彩顯示器（Full color display）

我們所使用的彩色顯示器，每一個畫素到底可以表現多少種顏色呢？將每一個畫素切割成三個「次畫素」，分別代表 RGB 三種顏色。如果我們利用 8 位元來儲存 R（有 256 種不同亮度的紅色）、8 位元來儲存 G（有 256 種不同亮度的綠色）、8 位元來儲存 B（有 256 種不同亮度的藍色），則要儲存一個畫素總共需要 24 位元，每一個畫素可以表現大約一千六百多萬種的顏色（28 × 28 × 28＝256 × 256 × 256＝16,777,216），稱為「全彩 24 位元」。

前面提過，可見光有無限多種顏色，但是人類的眼睛可以分辨多少種顏色呢？答案是人類的眼睛能夠分辨的顏色大約就是一千六百多萬種，超過這個數目的顏色由於相差太少（波長相差太少），人類的眼睛不容易分辨。

全彩還有另外一種規格，它是利用 8 位元來儲存 R、8 位元來儲存 G、8 位元來儲存 B，另外還有 8 位元來儲存這個畫素的其它相關訊息，這種規格要儲存一個畫素總共需要 32 位元，稱為「全彩 32 位元」，多出 8 位元來儲存資料會增加資料的儲存容量，但是可以讓畫面看起來更接近真實的顏色。

高彩顯示器（High color display）

全彩 24 位元要儲存一個畫素（三個次畫素）總共需要 24 位元，如果我們要減少儲存每一個畫素所需要的記憶體空間，則必須要減少紅階、綠階、藍階的數目。這三種顏色讓你選擇，你會先減少那一種顏色的數目呢？

前面提過，人類的眼睛對「綠色」最敏感，所以一定不能減少綠色，科學家們就將紅階與藍階的數目減少，利用 5 位元來儲存 R（只有 32 種不同亮度的紅色）、6 位元來儲存 G（有 64 種不同亮度的綠色）、5 位元來儲存 B（只有 32 種不同亮度的藍色），則要儲存一個畫素總共只需要 16 位元（5＋6＋5＝16 位元），每一個畫素可以表現大約六萬五仟多種顏色（25 × 26 × 25＝32 × 64 × 32＝65,536），稱為「高彩 16 位元」。

【範例】請計算一張解析度為 FHD（1,920 行 × 1,080 列）的全彩照片總共需要多大的記憶體容量才能儲存呢？

【解答】解析度為 FHD 的全彩照片總共有 1,920 × 1,080 ≅ 2,000,000 ≅ 200 萬個畫素，而全彩照片每個畫素又必須使用 24 位元（3 位元組）來儲存，所以總共需要的記憶體容量為：1920 × 1080（Pixel）× 3（Byte） ≅ 6,000,000（Byte）＝6MB

換句話說，一張解析度為 FHD 的全彩照片就需要 6MB 的記憶體來儲存，但是目前我們使用「JPEG 格式」儲存一張 FHD 的全彩照片大約只需要 600KB 而已，因為我們使用「靜態影像壓縮技術（Joint Photographic Experts Group, JPEG）」可以將檔案縮小到 1／10 以下。

同樣的道理，電影是 1 秒鐘播放 30 張畫面（30fps），因此要存放 1 秒鐘解析度為 FHD 的全彩電影需要 6MB × 30＝180MB，大家可以自行估計一下，要儲存一個小時的電影需要 180MB × 60（min）× 60（sec）＝648GB。天啊！一個小時的電影就需要 648GB 來儲存，但是目前我們所看的 DVD 存放二個小時的電影（除了視訊還包括 5.1 聲道的音訊）大約只要 4.7GB 而已，為什麼呢？

因為我們使用「動態影像壓縮技術（Moving Picture Experts Group, MPEG）」，影像壓縮技術除了 JEPG、MPEG1、MPEG2、MPEG4 以外，還有 Divx、Xvid、H.264、H.265、WMV 等，各自應用在不同的領域，特別是多媒體與數位內容產業。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

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【延伸閱讀】

• 「隨處都是顯示器」的便利 新用途不斷被開發
• 灰階顯示器（Grayscale display）是什麼？

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灰階顯示器是指畫面中的每一個畫素，除了可以顯示「全黑」或「全白」兩種顏色，還可以顯示不同程度的「灰色」，一般用來顯示黑白圖片或黑白影片，如＜圖一（a）＞所示；當我們將圖中的拱橋放大，可以看出拱橋是由一個一個灰階的畫素排列而成，如＜圖一（b）＞所示。畫素通常很小，用眼睛無法分辨，最重要的是，灰階顯示器的每個畫素除了顯示黑、白兩色以外，還要能夠顯示不同程度的灰色，才能組合成真實的影像。

「灰階（Grayscale）」就是指「不同程度的灰色」，顯示器一定要能夠顯示不同程度的灰色才能夠顯示真實的景物，例如：真實的人、樹木、花草、山水等，也才能應用在顯示具有真實景物的照片、電視、電影等。

灰階（不同程度的灰色）在顯示器裡都是利用「亮度（Brightness）」來顯示，如＜圖一（c）＞所示，當畫素全黑時，眼睛就會看成是「黑色」；當畫素的亮度逐漸增加時，眼睛就會看成是「不同程度的灰色」；當畫素全亮時，眼睛就會看成是「白色」。

圖一、灰階顯示器（資料來源：www.ntu.edu.tw）

灰階的定義

顯示器可以顯示灰階的數目就是指可以顯示多少種不同程度的灰色，一般而言，人類的眼睛可以分辨灰階的數目大約為 256 種，也就是我們經常聽到的「256 灰階」，為什麼是 256 而不取整數 200 或 300 呢？

主要是由於電腦是使用二進位在運算與儲存，因此使用的單位一定是 2 的倍數，電腦常用的「8 bit（位元）」等於「1 Byte（位元組）」，恰好有 28＝256 種排列組合，可以對應到不同程度的灰色，如＜圖二＞所示，也就是說我們利用 8 位元（1 位元組）來儲存一個畫素的灰階。

例如：在數位訊號裡，「00000000」代表黑色；「00000001」代表有一點亮的灰色；「00000010」代表更亮的灰色；「00000011」代表再亮的灰色，總共有 256 種灰色，依此類推；「11111111」代表白色。

當然，有的人眼睛比較敏感，可以分辨更多灰階的數目，因此也有所謂的「4,096 灰階」，特別是醫學用的黑白照片。大家應該注意到 4,096 也是 2 的倍數，但是灰階的數目愈多，代表由全黑到全白之間等分的「灰色」數目愈多，因此相鄰兩個灰色會非常接近，使得眼睛不易分辨，因此一般只要使用「256 灰階」就已經很足夠了。

圖二、灰階與數位訊號的關係

直接電壓調變法

直接電壓調變法是直接利用「電壓大小」來控制眼睛看到的亮度，使眼睛看成是「不同程度的灰色」。假設顯示器上的每一個畫素當成一個燈泡，當我們對燈泡施加不同大小的電壓，則燈泡會有不同的亮度，眼睛就會看成是不同程度的灰色。

如＜圖三（a）＞所示，當我們對燈泡施加電壓 0V（伏特）時，燈泡全關（OFF），眼睛就會當成是「黑色（最暗）」；當我們對燈泡施加電壓 0.3V 時，燈泡有一點亮，眼睛就會當成是「有一點亮的灰色」；當我們對燈泡施加電壓 0.6V 時，燈泡更亮，眼睛就會當成是「更亮的灰色」；以此類推，當我們對燈泡施加電壓 1.2V 時，燈泡全開（ON），眼睛就會當成是「白色（最亮）」。

使用直接電壓調變法的顯示器很多，例如：傳統電視（陰極射線管顯示器）、薄膜電晶體液晶顯示器（TFT-LCD）等。

圖三、灰階顯示器的控制方法

次畫素法（空間調變法）

次畫素法是將一個畫素再切割成數個大小不同的「次畫素」，利用次畫素的全關（OFF）或全開（ON）來控制發光的亮度，使眼睛看成是「不同程度的灰色」。

如＜圖三（b）＞所示。假設將 1 個畫素切割成 4 個大小不同的次畫素，由於畫素原本就已經很小了，次畫素就更小了，眼睛當然無法分辨。當 4 個次畫素全關（OFF）則混合起來眼睛會看成是「黑色（最暗）」；當 1 個次畫素全開（ON）則混合起來眼睛會看成是「有一點亮的灰色」；當 2 個次畫素全開（ON）則混合起來眼睛會看成是「更亮的灰色」；以此類推，當 4 個次畫素全開（ON）則混合起來眼睛會看成是「白色（最亮）」。

次畫素法是利用眼睛對「微小的空間」無法分辨的原理來顯示灰階，故又稱為「空間調變法」。因為只有全關（OFF）或全開（ON）而不需要控制不同的電壓大小，因此使用這種方法最大的優點是驅動電路比較簡單，但是如果要維持解析度不變，則必須切割成許多次畫素，顯示面板的製作比較困難，而且要使用這種方法來顯示 256 灰階，必須切割成十幾個大小不同的次畫素來排列組合。

因為「畫素」原本就已經很小了，要再將畫素切割成十幾個「次畫素」幾乎是不可能的事，因此目前已經很少顯示器使用這種方法來顯示灰階了。

驅動電壓調變法（時間調變法）

驅動電壓調變法是直接利用「時間長短」來控制發光的亮度，使眼睛看成是「不同程度的灰色」，如＜圖三（c）＞所示。假設以時間 30ms（等於 0.03 秒）為一個單位（剎那間），人類的眼睛在這麼短的時間內無法分辨畫素是亮還是暗。

➤黑色：當驅動電壓在 30ms 的時間內全關（OFF）時，剎那間我們的眼睛會看成是「黑色（最暗）」。

➤亮些的灰色：當驅動電壓在 30ms 的時間內前 1ms 為全開（ON），後 29ms 為全關（OFF）時，剎那間我們的眼睛會看成是「有一點亮的灰色」。

➤更亮的灰色：當驅動電壓在 30ms 的時間內前 2ms 為全開（ON），後 28ms 為全關（OFF）時，剎那間我們的眼睛會看成是「更亮的灰色」。

➤白色：當驅動電壓在 30ms 的時間內全開（ON）時，剎那間我們的眼睛會看成是「白色（最亮）」。

驅動電壓調變法是利用眼睛在「極短的時間」內無法分辨亮暗的原理來顯示灰階，故又稱為「時間調變法」。這種方法最大的優點是不需要製作微小的次畫素，顯示面板的製作比較容易；缺點則是控制每個畫素開（ON）或關（OFF）的驅動電路比較複雜。

使用驅動電壓調變法的顯示器很多，例如：超扭轉向列型液晶顯示器（STN-LCD）等。上述的方法也可以混合使用，例如：將驅動電壓調變法配合次畫數法一起使用，則可以顯示更多不同程度的灰色。

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• 單色顯示器（Single color display）是什麼？
• 「隨處都是顯示器」的便利 新用途不斷被開發

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單色顯示器（Single color display）是指畫面中的每一個畫素只能顯示「全黑」或「全白」兩種顏色，又稱為「黑色顯示器（Black and white display）」；單色不一定是黑色，也可以是某一種顏色，一般用來顯示文字或簡單的單色圖形，例如：傳統手機螢幕顯示的文字、簡訊或圖形；公共場所使用的文字跑馬燈等。

由於這類顯示器只要顯示簡單的文字或圖形，因此所需要的解析度不高，畫素通常比較大，用眼睛即可輕易的分辨出來，而且每個畫素只需要顯示黑、白兩色即可，如＜圖一（a）＞所示，圖中的文字雖然呈現鋸齒狀，但是仍然可以分辨出是「HIGHTECH.TW」與「JUST DO IT!」等英文字。

當然我們也可以使用不同的顏色來顯示文字，例如：行人穿越道上的紅綠燈，如＜圖一（b）＞所示。

圖一、單色顯示器

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• Micro LED是什麼？微發光二極體的構造
• 「隨處都是顯示器」的便利 新用途不斷被開發

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「檔案傳輸協定（File Transfer Protocol, FTP）」主要的功能是在用戶端電腦（Client）與伺服器（Server）之間傳送大量檔案資料的通訊協定，程式設計師可以依照這個通訊協定製作檔案傳輸相關的應用程式，只要依照這個標準製作的檔案傳輸軟體就可以確保相容性。

檔案傳輸協定（FTP）是以 TCP 封包的模式進行連線，當連線建立之後，使用者可以在用戶端電腦（Client）連結伺服器（Server）進行檔案的上傳與下載，也可以直接管理用戶在伺服器（Server）內所儲存的檔案。常見的FTP伺服器應用程式包括：Pureftpd、Proftpd、WU-ftpd、Serv-U 等。

檔案伺服器（File server）

檔案伺服器顧名思義就是用來保存大量資料檔案的伺服器，可以提供用戶端電腦儲存檔案和檢索資料，檔案伺服器通常比一般的個人電腦擁有更大的儲存容量，同時具備某些特殊功能，例如：磁碟鏡像（Disk mirror）可以將檔案資料複製到相同功能的儲存裝置中來增加資料的容錯性與整合性，同時增加資料存取的速度，或是將檔案資料複製到不同功能的儲存裝置，可以用來備份資料。

大家仔細想想，檔案伺服器內儲存了大量的檔案資料，在銀行裡可能是客戶的存款資料，在公司裡可能是員工資料或機密資料，在政府單位可能是稅務資料或地籍資料，如果儲存資料的元件（例如：硬碟機）發生故障而造成資料損毀，那是多麼嚴重的事？

因此我們使用「獨立磁碟冗餘陣列（Redundant Array of Independent Disks, RAID）」，簡稱「磁碟陣列」來確保資料不會損毀，基本的概念就是把多個相對便宜的硬碟機組合起來，形成一個磁碟陣列（多個硬碟機），使效能達到甚至超過一個價格昂貴容量巨大的硬碟機，同時將資料依照一定的規則拆散開來分別儲存在磁碟陣列內不同的硬碟機中。

這樣可以達到增強資料整合度、增強容錯能力、增加資料處理量等優點，而磁碟陣列對於電腦而言就像單獨的儲存元件一樣，甚至還可以在檔案資料中加入「錯誤修正碼（Error Correction Code, ECC）」，這樣即使資料存取時出現錯誤還有機會可以修正，常見的磁碟陣列有 RAID-0、RAID-1、RAID-1E、RAID-5、RAID-6、RAID-7、RAID-10、RAID-50、RAID-60 等。

資料庫伺服器（Database server）

資料庫伺服器是指安裝了資料庫管理應用程式的伺服器，每台用戶端電腦（Client）與伺服器（Server）的資料庫可以使用結構化查詢語言（Structure Query Language, SQL）進行資料存取與處理工作，也可以讓許多使用者同時存取資料庫伺服器內的資料。

在網路上這些資料庫通常採取主從架構，可以依照不同性質的資料，分別儲存在不同的資料庫伺服器內，讓每台用戶端電腦與伺服器之間相互存取資料，達到分散處理的目的，以減低網路塞車的發生機率。常見的資料庫伺服器應用程式包括：Oracle Database、MySQL、PostgreSQL、Microsoft SQL Server 等。

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• Web 伺服器是什麼？如何運用？
• 伺服器是什麼？有哪些種類？

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在私有網路（內部網路）與網際網路（外部網路）之間建立一個安全的通訊閘道稱為「防火牆（Firewall）」，類似軍隊的檢查哨，可以控制並且管制所有進出私有網路與網際網路的資料封包，防火牆最重要的成員是「封包過濾器（Packet filter）」與「應用閘道器（Application gateway）」，但是必須配合其他伺服器軟體的合作才能真正達到網路安全的目的，使用防火牆的優點包括：

➤保護私有網路：可以保護私有網路（內部網路）的安全，把惡意攻擊的怪客（Cracker）阻擋在外面。
➤管制私有網路：可以管制私有網路（內部網路）與網際網路的存取，避免員工使用公司網路進行違法行為。
➤保存使用記錄：可以保存網路使用的記錄，並且統計內部網路的使用情形。

防火牆的缺點

使用防火牆是在私有網路（內部網路）與網際網路（外部網路）之間建立一個安全的通訊閘道，所有的封包進出都必須經過檢查，因此也會產生一些缺點包括：

➤降低傳輸效率：防火牆對網路進出的封包進行檢查的動作會降低網路的傳輸效率。
➤防火牆被入侵：當防火牆被入侵的時候，整個私有網路（內部網路）會完全暴露，因此不可以完全依賴防火牆，私有網路（內部網路）的每一台電腦都必須做好安全管理工作。
➤無法防範內賊：防火牆無法防範內賊，所以人員使用權限的管制也是網路安全重要的項目。

防火牆的成員

安全的防火牆架構如＜圖一＞所示，包括下列基本的伺服器軟體：

➤封包過濾器（Packet filter）：例如 NAT 伺服器（NAT server）。
➤應用閘道器（Application gateway）：例如代理伺服器（Proxy server）。
➤網域名稱管理：例如 DNS 伺服器（DNS server）。
➤電子郵件管理：例如郵件伺服器（Mail server）。
➤檔案傳輸管理：例如 FTP 伺服器（FTP server）。
➤檔案資料管理：例如資料庫伺服器（Database server）、檔案伺服器（File server）。
➤安全的作業系統：例如 Unix、Linux 或 Windows 等。

圖一、防火牆的成員示意圖

防火牆的安全機制

安全的防火牆至少必須具有「NAT伺服器」，用來攔截網際網路進入私有網路的封包，阻擋怪客（Cracker）的攻擊，或是進行封包偽裝，將私有 IP 改成真實 IP 再傳送到網際網路，使網際網路上的人無法得知私有網路的 IP 分配情形而增加安全性；如果同時外加「代理伺服器」，則可以對經過私有網路與網際網路的封包，進行快取與控制等功能，讓私有網路與網際網路都透過代理伺服器來連接，減少網際網路上的怪客直接連接到私有網路的機會而增加安全性。

如果同時再外加「DNS 伺服器」可以管理網域名稱與 IP 位址；同時再外加「郵件伺服器」可以管理電子郵件；同時再外加「FTP 伺服器」可以管理檔案的上傳與下載；同時再外加資料庫與檔案伺服器管理資料與檔案；同時再使用安全性較高的作業系統，可以減少因為作業系統程式有漏洞而被怪客攻擊的機會，因此所謂的防火牆，其實就是由上面八個成員組合而成，由下到上使用愈多的成員則安全性愈高，使怪客不容易進行攻擊，如＜圖一＞所示。

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• 科技新競技場 防火牆供應商攻防
• 伺服器是什麼？有哪些種類？

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代理伺服器是一種防火牆成員，也是一種「應用閘道器（Application gateway）」，泛指可以對經過私有網路與網際網路的封包，進行快取與控制等功能的伺服器，代理伺服器的種類很多，包括：快取代理伺服器（Cache proxy server）、郵件代理伺服器、IP 代理伺服器等，其中快取代理伺服器主要具有下列功能：

➤代替私有網路連接網際網路可以增加讀取速度：快取代理伺服器會「代替」私有網路（內部網路）的電腦連接網際網路（外部網路）。如＜圖一＞所示，並且將私有網路經常連結的網站內容儲存在代理伺服器的記憶體，當內部網路的電腦下一次要連結同一個網站時，快取代理伺服器就可以立刻由記憶體中取得資料。

大家一定都有這樣的經驗，有時候我們從學校或公司的內部網路連結到Google（GOOGL-US）網站，立刻就會看到 Google 網站的首頁，其實那大多是學校或公司的代理伺服器內所儲存的備用資料而已，有時候甚至是自己電腦內所儲存的備用資料。

圖一、快取代理伺服器代替私有網路連接網際網路

➤代替網頁伺服器連接網際網路可以保護網頁伺服器：代理伺服器可以用來「代替」網際網路（外部網路）的電腦連接私有網路（內部網路）的網頁伺服器，如＜圖二＞所示，並且將內部網路內網頁伺服器的內容儲存在代理伺服器的記憶體，讓網際網路（外部網路）的電腦由代理伺服器的記憶體中讀取資料，而不直接由私有網路（內部網路）的網頁伺服器讀取，這樣才能有效阻擋怪客（Cracker）的攻擊。

圖二、快取代理伺服器代替網頁伺服器連接網際網路

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【延伸閱讀】

• Web 伺服器是什麼？如何運用？
• Ｍail 伺服器是什麼？如何運用？

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當我們在網址列輸入「http://www.hightech.tw」，如＜圖一＞所示，意思其實是：使用 HTTP 通訊協定以網頁瀏覽器和 www.hightech.tw 這台網頁伺服器進行通訊，一般的網頁內容包含一個 HTML 檔案，以及文字、圖形、影片的連結檔。

圖一、網頁瀏覽器 Google Chrome

Apache 伺服器

由 Apache Group 組織所開發的網頁伺服器軟體稱為「Apache」，是公開原始程式碼的軟體，可以安裝在網頁伺服器內提供企業或機關團體架設網站，也是目前世界上用來架設網站使用最多的伺服器軟體，可以架設在許多不同的作業系統上，例如：Unix、Linux、OS2、Windows 等，由微軟（Microsoft, MSFT-US）公司自行開發的網頁伺服器軟體稱為「Windows Server IIS」，不過大家都知道微軟公司並不公開原始程式碼。

相反的，Apache 是公開原始程式碼的軟體，大部分的軟體漏洞都已經被全球各地的軟體工程師找出來並且修補起來，所以安全性較高，而且 Apache 是在 Unix 與 Linux 等作業系統下開發出來的軟體，穩定性高，價格又低，所以被許多企業或機關團體用來架設網站。

三向交握（Three way handshake）

用戶端電腦（Client）與網頁伺服器（Web server）連線的流程稱為「三向交握（Three way handshake）」，包括下列三個步驟，如＜圖二＞所示：

➤用戶端要求（Request）：由用戶端電腦的網頁瀏覽器向 Apache 伺服器發出連線的要求，使用 HTTP 通訊協定以網頁瀏覽器與 Apache 伺服器溝通。

➤伺服器回應（Response）：由 Apache 伺服器回應用戶端電腦接受連線要求，並且開啟一個「程式（Process）」來處理這個連線要求，程式會佔用伺服器的運算資源。

➤用戶端確認（ACK：Acknowledgement）：由用戶端電腦回應 Apache 伺服器確認訊號，此時 Apache 伺服器開始傳送資料，用戶端電腦準備開始接收資料。

圖二、網頁伺服器的三向交握流程

網頁伺服器的攻擊

網路上的怪客（Cracker）攻擊網頁伺服器時有所聞，這裡我們舉出一個簡單的例子，讓大家了解如何進行攻擊，例如：怪客先寫好一個簡單的軟體，由用戶端電腦向 Google 的網頁伺服器發出「要求（Request）」連線的封包，這個時候 Google 的網頁伺服器會開啟一個程式（Process）來處理這個連線要求，並且「回應（Response）」同意連線的封包。

此時用戶端電腦故意不回覆「確認（ACK）」的封包，並且再發出第二個「要求（Request）」連線的封包，依此類推，不停地發出成千上萬個要求連線（Request）的封包，Google 的網頁伺服器就會打開成千上萬個程式（Process），卻一直等不到用戶端電腦回應（Response）同意連線的封包，不停開啟成千上萬個程式（Process）直到伺服器不堪負荷當機為止，網頁伺服器就掛囉！

有什麼方法可以避免這種情形發生呢？方法其實很簡單，目前所有的網頁伺服器都會設定一個等待時間，如果收到某一台用戶端電腦發出要求（Request）連線的封包，經過一段時間卻沒有收到確認（ACK）的封包，網頁伺服器就會自動將這個程式（Process）關閉，以避免打開過多的程式（Process）而當機了，這就叫做邪不勝正嘛！這麼簡單的方法你（妳）是不是也想到了呢？

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

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• 伺服器是什麼？有哪些種類？
• DNS 伺服器是什麼？如何運用？

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電子郵件帳號的格式為「使用者 @ 郵件伺服器」，例如：hightechtw@gmail.com，是指在 gmail.com 這台郵件伺服器裡的某一個帳號 hightechtw，值得注意的是，「@」這個符號是代表英文字「at」的意思，也就是中文字「在」的意思，所以這個電子郵件帳號應該讀成：hightechtw at gmail.com，意思是「在 gmail.com 這台郵件伺服器裡的 hightechtw 帳號」才對，許多人把 @ 讀成「小老鼠」，實在不知道 @ 和老鼠有什麼關係？下回別再讀錯囉！

電子郵件的通訊協定

➤簡易郵件傳輸協定（Simple Mail Transfer Protocol, SMTP）：是在網際網路的不同郵件伺服器之間，進行電子郵件的交換與傳輸的通訊協定，SMTP 屬於即時送信與收信的通訊協定，傳送端與接收端的主機必須開機並連線，傳送端送出信件後，接收端立即收到信件。SMTP 傳輸協定的內容包括：「信封（Envelope）」指明收件人的電子郵件地址。
例如：使用者 @ 郵件伺服器（hightechtw@gmail.com）；「表頭（Header）」指明電子郵件的重要訊息，其中「To」指明收件人的電子郵件地址、「From」指明寄件人的電子郵件地址、「Subject」指明電子郵件的主旨、「Date」指明電子郵件的發信日期與時間等；「本文（Body）」就是我們所要傳送的電子郵件的內容。

➤郵件伺服器協定（Post Office Protocol Version 3, POP3）：屬於即時送信與收信的通訊協定，傳送端與接收端的主機必須開機並連線，傳送端送出信件後，接收端立即收到信件。POP3 傳輸協定的內容包括：「認證（Authorization）」由接收端輸入帳號與密碼；「處理（Transaction）」由接收端發出郵件處理指令，從郵件伺服器下載信件；「更新（Update）」由接收端完成信件下載後，刪除郵件伺服器內標示刪除的信件。

➤網際網路郵件存取協定（Internet Message Access Protocol, IMAP）：有許多版本包括 IMAP、IMAP2、IMAP3、IMAP2bis、IMAP4，目前最新的版本為 IMAP4 rev1，已經逐漸成熟並且被市場接受。
IMAP 傳輸協定可以同時提供「在線」和「離線」的瀏覽模式，也可以提供多位使用者同時瀏覽和管理同一個電子郵件信箱，而且所做的改變會立刻即時生效，使用者可以瀏覽點選的部分，不需要等待載入整封郵件才能瀏覽，而且可以使用標籤的方式將已讀取、未讀取、已刪除、已回覆的標籤註記在郵件上來管理郵件，甚至在郵件伺服器上建立資料夾做郵件分類，可以在遠端的郵件伺服器上搜尋字串，不用將郵件下載後再搜尋。

電子郵件的傳遞方式

由於 SMTP 與 POP3 都是即時送信與收信的通訊協定，代表寄件人與收件人的電腦必須同時處於開機狀態才能連線使用，但是我們不可能維持自己的電腦一直開機等著別人隨時寄信給我們呀！因此才必須使用「郵件伺服器（Mail server）」永遠保持開機，隨時可以替我們傳送或接收電子郵件，主要有下列兩種方式：

➤本地網路的郵件傳遞：寄件人與收件人使用相同的郵件伺服器，例如：寄件人使用 Gmail 郵件伺服器，收件人也使用 Gmail 郵件伺服器，如＜圖一（a）＞所示，寄信時寄件人的電腦開機並連線到 Gmail 郵件伺服器，可以使用 SMTP 傳輸協定將電子郵件傳送出去；收信時收件人的電腦開機並連線到 Gmail 郵件伺服器，可以使用 POP3 或 IMAP 傳輸協定將電子郵件接收進來。

➤遠端網路的郵件傳遞：寄件人與收件人使用不同的郵件伺服器，例如：寄件人使用 Gmail 郵件伺服器，收件人使用 Yahoo 郵件伺服器，如＜圖一（b）＞所示，寄信時寄件人的電腦開機並連線到 Gmail 郵件伺服器，可以使用 SMTP 傳輸協定將電子郵件傳送出去；Gmail 郵件伺服器再使用 SMTP 傳輸協定將電子郵件傳送到 Yahoo 郵件伺服器；收信時收件人的電腦開機並連線到 Yahoo 郵件伺服器，可以使用 POP3 或 IMAP 傳輸協定將電子郵件接收進來。

圖一、郵件伺服器的連線方式

在電子郵件傳送與接收的過程中，寄件人與收件人電腦裡的郵件處理軟體，例如：Windows 作業系統的 Outlook，Linux 作業系統的 Kmail 等，主要的功能是提供寄件人編寫郵件與收件人閱讀郵件，又稱為「郵件使用代理（Mail User Agent, MUA）」。

代替寄件人將這封電子郵件傳送出去的郵件伺服器，就是＜圖一（b）＞中的 Gmail 郵件伺服器又稱為「郵件傳送代理（Mail Transfer Agent, MTA）」；代替收件人將這封電子郵件接收進來的郵件伺服器，就是＜圖一（b）＞中的 Yahoo 郵件伺服器，又稱為「郵件接收代理（Mail Retrieval Agent, MRA）」。

此外，使用 SMTP、POP3、IMAP 等傳輸協定最大的缺點就是郵件內容以未加密的明文傳送，郵件內容很容易被怪客（Cracker）攔截偷看，因此後來又發明了 SMTPs、POP3s、IMAPs 等有加密的傳輸協定，其中「s」代表「Security」，是使用「安全套接層（Secure Socket Layer, SSL）」或「傳輸層安全（Transport Layer Security, TLS）」等加密通訊協定，將在後面詳細介紹。

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大家一定都使用過「網址」來連接網際網路，例如：www.google.com、www.hightech.tw、www.ntu.edu.tw 等，這些網址我們稱為「完整網域名稱（FQDN）」，完整網域名稱的總長度不得超過 255 個字母，單項（兩個點號之間）不得超過 63 個字母。

使用網址來連接網路主要是為了方便人類記憶，因為 www 代表「WWW 伺服器」、ntu 代表「National Taiwan University」、edu 代表「Education」、tw 代表「Taiwan」，當大家看到網址 www.ntu.edu.tw 就知道這是位於台灣的一個教育單位——台灣大學的 WWW 伺服器內的網頁內容。

完整網域名稱（FQDN）雖然可以方便人類記憶，但是路由器只認得 IP 位址，卻不認得網址，所以當我們在網頁瀏覽器（例如：Google Chrome、Internet Explorer）的網址列輸入 www.ntu.edu.tw 時，用戶端電腦必須先向 DNS 伺服器查詢這個網址所對應的 IP 位址，查詢結果是 140.112.8.116，再使用這個 IP 位址來連接這個網址的 WWW 伺服器。

換句話說，在手動進行網路設定的時候，就必須將 DNS 伺服器的 IP 位址告訴電腦，這樣電腦才知道要向誰查詢我們輸入的網址對應的 IP 位址。

網域名稱系統（DNS：Domain Name System）

先思考一個有趣的問題，全世界的網址那麼多，一台 DNS 伺服器怎麼可能知道這麼多網址對應的 IP 位址是什麼呢？為了要解決這個問題，我們把全世界所有的網址區分為許多不同的「網域（Domain）」，並且定義了不同的層級，如＜圖一＞所示：

➤根網域（Root domain）：根網域是 DNS 架構最上層的伺服器，全球共約 16 台，當下層的任何一台 DNS 伺服器無法查出某個網址對應的 IP 位址時，則會向最上層負責根網域的 DNS 伺服器查詢。

➤頂層網域（Top level domain）：使用國際標準組織（ISO）所制定的國碼（Country code）來區分頂層網域。
例如：美國使用「us」、台灣使用「tw」、中國大陸使用「cn」、日本使用「jp」，由於美國是網際網路的創始國，所以通常可以不使用 us，全球的網域名稱是由「網際網路名稱與號碼分配組織（ICANN：Internet Corporation For Assigned Names and Numbers）」來管理（http://www.icann.org）。

➤第二層網域（Second level domain）：由使用單位向各國的網址註冊中心申請，台灣的網域名稱是由「台灣網路資訊中心（TWNIC：Taiwan Network Information Center）」來管理（http://www.twnic.net），使用單位繳交年費即可取得第二層網域的使用權。
例如：教育單位台大使用 ntu.edu.、政大使用 nccu.edu.；政府單位台北市政府使用 taipei.gov、國科會使用 nsc.gov；營利單位 Google 使用 google.com、台積電（2330-TW）使用 tsmc.com、聯發科（2454-TW）使用 mediatek.com 等。

➤主機網域（Host domain）：由各使用單位之網管人員，依照實際需要自行細分成許多主機使用，每一台主機可以設定一個網域名稱，例如：台大的網頁使用 www、台大的選課系統使用 info、台大的郵件伺服器使用 mail 等。

圖一、全球 DNS 伺服器架構

動動手

讓我們先來查查 www.ntu.edu.tw 對應的 IP 位址是多少吧！先到 DOS 模式下，在 C:\> 後面輸入指令「ping www.ntu.edu.tw」（中間要空一格），再按下「Enter」，電腦就會列出 www.ntu.edu.tw 對應的 IP 位址是 140.112.8.116。

➤網頁瀏覽器的網址列：可以輸入網址 http://www.ntu.edu.tw，如果你（妳）記憶力很好，知道這個網址的 IP 位址是 140.112.8.116，那麼當然也可以在網址列直接輸入 IP 位址 http://140.112.8.116，這樣子電腦就不用再向 DNS 伺服器查詢囉！

➤打開網頁瀏覽器：在網址列輸入 http://www.ntu.edu.tw 並且按下「Enter」，就會發現這是台灣大學的網站；現在我們在網址列輸入 http://info.ntu.edu.tw 並且按下「Enter」，就會發現這是台灣大學的選課系統。

DNS 的查詢流程

用戶端電腦向 DNS 伺服器查詢 www.ntu.edu.tw 的 IP 位址流程如＜圖二＞所示：

➤用戶端電腦：向 DNS 伺服器查詢 www.ntu.edu.tw 的 IP 位址，如＜圖二（a）＞所示。

➤DNS 伺服器：查詢自己的記憶體，如果曾經被詢問過就會有記錄，如果第一次被詢問則沒有記錄，於是轉向根網域 DNS 伺服器查詢，如＜圖二（b）＞所示。

➤根網域 DNS 伺服器：回答「我不知道 www.ntu.edu.tw 的 IP 位址」，但是我知道「管理 tw 的 DNS 伺服器」的 IP 位址，如＜圖二（c）＞所示。

➤DNS 伺服器：再轉向「管理 tw 的 DNS 伺服器」查詢，如＜圖二（d）＞所示。

➤管理 tw 的 DNS 伺服器：回答「我不知道 www.ntu.edu.tw 的 IP 位址」，但是我知道「管理 edu.tw 的 DNS 伺服器」的 IP 位址，如＜圖二（e）＞所示。

➤DNS 伺服器：再轉向「管理 edu.tw 的 DNS 伺服器」查詢，如＜圖二（f）＞所示。

➤管理 edu.tw 的 DNS 伺服器：回答「我不知道 www.ntu.edu.tw. 的 IP 位址」，但是我知道「管理 ntu.edu.tw 的 DNS 伺服器」的 IP 位址，如＜圖二（g）＞所示。

➤DNS 伺服器：再轉向管理 ntu.edu.tw 的 DNS 伺服器查詢，如＜圖二（h）＞所示。

➤管理 ntu.edu.tw 的 DNS 伺服器：回答「www.ntu.edu.tw. 的 IP 位址是 140.112.8.116」，如＜圖二（i）＞所示，呵～看來要查詢一個網址的 IP 位址還真辛苦！

➤DNS 伺服器：先將 www.ntu.edu.tw 對應的 IP 位址 140.112.8.116 儲存在自己的記憶體，以方便下一次用戶端電腦再查詢時使用，下一次就不用這麼辛苦地到處去問啦！並且將結果傳回用戶端電腦，如＜圖二（j）＞所示，用戶端電腦才能使用這個 IP 位址來連接網路上的一個網站。

圖二、DNS 查詢流程

由於目前電腦的記憶體都很大，而且我們又常常連結同一個網站，因此只要我們連結過某一個網站，我們的電腦就會把這個網址對應到的 IP 位址記錄下來，不必這麼辛苦的去向 DNS 伺服器查詢，因此我們的經驗都是輸入網址之後立刻出現網頁，如果使用者輸入了一個從來沒連結過的網址，則會等待比較久的時間，其實就是電腦在向 DNS 伺服器查詢 IP 位址。

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使用矽或砷化鎵製作太陽電池都需要使用半導體製程，所以成本都不低，這也是太陽電池目前發展的瓶頸，有沒有一種成本低，製作容易的太陽電池材料呢？科學家發現，一些有機材料具有吸收光子產生電子的特性，這種有機材料稱為「染料（Dye）」，使用這種材料製作的太陽電池我們稱為「染料敏化太陽電池（DSSC）」。

染料敏化太陽電池（DSSC）的構造如＜圖一＞所示，通常使用兩片導電玻璃（玻璃表面濺鍍氧化銦錫薄膜）來製作，先在下方的導電玻璃上成長奈米結晶的多孔性二氧化鈦薄膜，再將染料溶解在電解液內，並且使用旋轉塗佈法將染料塗佈在多孔性二氧化鈦薄膜上。

由於氧化銦錫（ITO）透明而且可以導電，所以太陽光可以穿透導電玻璃到達染料層，由染料層放出電子，經由多孔性二氧化鈦薄膜流出，經過電子元件就可以使元件工作。基本上染料（Dye）在這裡所扮演的角色，和樹葉上的葉綠素一樣，可以吸收太陽光，並且將電子轉移出去。

值得注意的是，奈米結晶的二氧化鈦其實就是所謂的「奈米光觸媒」，科學家發現這種材料不但可以引起光催化反應，而且具有特別的光電特性，可以提高染料的能量轉換效率。

圖一、染料敏化太陽電池（DSSC）的構造示意圖

染料敏化太陽電池的技術瓶頸

DSSC 最大的優點是製程簡單，不需要昂貴的設備與高潔淨度的廠房，而且二氧化鈦與電解液也很便宜，至於鉑金屬觸媒與染料將來大規模生產時價格也會降低，而且使用有機染料製作薄膜並不一定要使用玻璃基板，也可以使用具有可撓性的基板，例如：塑膠，也可以直接塗佈在各種建材上，製作非常容易。

不過 DSSC 仍然有許多問題必須克服，例如：有機材料的光電性質較差，大部分的能量轉換效率都小於 5%，沒有實用價值。

更慘的是，有機染料長時間照射太陽光以後，分子結構會被紫外光破壞，光電轉換效率會大幅衰減，所以雖然許多實驗室宣稱可以製作出能量轉換效率接近 10% 的產品，但是大部分都只能停留在研究階段，無法長時間照射太陽光，距離量產還需要很長期的研發才行。

目前主要進行染料敏化太陽電池研發的機構有瑞士聯邦技術學院（EPFL）、澳大利亞國際永續技術（STI）公司、德國 INAP 研究所、歐盟的荷蘭國家能源研究所（ECN）、日本產業技術綜合研究所（AIST）、日本日立公司、日本富士公司、日本 Peccell 技術公司、瑞典 Uppsala 大學、瑞士 Leclanche S.A（Swiss）與 Solaronix（Swiss）以及美國 Konarka 公司等。

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• 太陽能電池的原理與種類
• 太陽能的原理、種類與優缺點

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太陽電池（Solar cell）的構造如＜圖一（a）＞所示，將矽半導體或化合物半導體製作成 P 型與 N 型接面結構，當太陽光入射到 P 型與 N 型接面，可以激發 P 型與 N 型半導體產生電洞與電子，電洞與電子流到電子產品內就可以工作了！

光偵測器（PD：Photo Detector）的原理與太陽電池相同，都是入射光激發 P 型與 N 型半導體產生電洞與電子。此外，發光二極體（LED：Light Emitting Diode）的原理與太陽電池類似，只是光與電的方向相反而已，電池產生電洞與電子，電洞與電子流到 P 型與 N 型半導體產生光，如＜圖一（b）＞所示。

圖一　太陽電池的原理。

值得注意的是，太陽電池其實是厚度不到 1mm（微米）的 P 型與 N 型接面結構，製作在厚度大約 200～1000mm 的矽基板或砷化鎵基板上，如＜圖二（a）＞所示，矽基板不論是單晶矽還是多晶矽，主要的功能都是提供機械強度（支撐），為了降低材料成本，基板當然是愈薄愈好，但是愈薄的基板愈難加工，因此如何發展新的加工技術是未來的努力方向。

能量轉換效率
要判斷太陽電池性能的好壞，最重要的參數就是「能量轉換效率（Energy conversion efficiency）」，假設太陽入射能量為 Pin，太陽電池輸出電能為 Pout，則能量轉換效率的定義為：

能量轉換效率是判斷太陽電池性能好壞最重要的參數，不同的材料、不同的製程、不同的構造，都可以得到不同的能量轉換效率。
要增加太陽電池的應用，就必須先提高能量轉換效率，目前有下列幾種方法可以提高能量轉換效率：

➤在太陽電池表面蒸鍍一層抗反射層：可以減少太陽光的能量被反射回去，讓入射的太陽光保持在太陽電池裡面，一般常用的抗反射層材料包括：氧化矽（SiO2）、氮化矽（Si3N4）、氧化鈦（TiO2）等，如＜圖一（a）＞所示。

➤將太陽電池表面的金屬電極製作成手指狀的結構：可以減少太陽光的能量被金屬電極反射回去，保持大部分太陽光被太陽電池吸收，如＜圖二（a）＞所示。

➤將金屬電極製作成垂直埋入太陽電池中：可以增加電極與太陽電池的接觸面積，進而減少串聯電阻，增加能量轉換效率，如＜圖二（b）＞所示。

➤將太陽電池表面蝕刻成凹凸不平或粗糙的結構：可以使入射的太陽光產生多重反射，增加太陽光的能量停留在電池內部，如＜圖二（c）＞所示。

➤將兩個金屬電極製作在同一個平面上：由於太陽電池的金屬電極會反射太陽光，我們可以將兩個金屬電極製作在同一個平面上，太陽光則由沒有金屬電極的那一個平面照射，可以減少太陽光的能量被金屬電極反射回去，如＜圖二（d）＞所示。

圖二　太陽電池的表面處理提升能量轉換效率。

太陽電池的種類
太陽電池主要分為矽半導體與化合物半導體兩大類，其中矽半導體應用在民生或工業發電，又可以分為單晶矽晶圓、多晶矽薄片、非晶矽薄膜三種；砷化鎵半導體應用在國防或太空發電，又可以分為三五族化合物半導體、二六族化合物半導體、其他化合物半導體等，如＜圖一＞所示。

圖一　太陽電池的種類。　

矽半導體太陽電池
矽半導體太陽電池又可以分為單晶矽晶圓、多晶矽薄片、非晶矽薄膜三種，如＜圖二＞所示：

➤單晶矽晶圓（Single crystal silicon）：使用單晶的矽晶圓製作，如＜圖二（a）＞所示，由於單晶矽的固體原子排列得很整齊，因此導電性最好，吸收太陽光能產生電子的能量轉換效率最高，在不進行任何表面處理的情況下能量轉換效率可以達到 13～15%，如果進行前面介紹的表面處理目前業界的製程能量轉換效率可以提升到大約 25%，唯一的缺點就是製作不易，價格較高。

➤多晶矽薄片（Poly crystal silicon）：使用多晶矽製作，如＜圖二（b）＞所示，由於多晶矽只有局部區域的原子排列得很整齊，這些局部區域的大小約在數百奈米（nm）左右，而且不同的區域之間原子排列的方向不同，會形成「晶界（Grain boundary）」，造成導電性較差，吸收太陽光能產生電子的能量轉換效率較低，在不進行任何表面處理的情況下能量轉換效率可以達到 11～13%，但是製作容易，價格較低。

➤非晶矽薄膜（Amorphous silicon）：使用非晶矽製作，如＜圖二（c）＞所示，由於非晶矽原子都排列得很混亂，所以導電性最差，吸收太陽光能產生電子的能量轉換效率很低，在不進行任何表面處理的情況下能量轉換效率大約只有 5～7%，但是製作最容易，價格最低，目前廣泛地使用在太陽能計算機、太陽能電子錶等耗電量較小的電子產品上。

圖二、矽半導體太陽電池的種類。資料來源：經濟部能源局

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傳統的鋰離子電池所使用的陰極材料鋰鈷氧化物（LiCoO2）、鋰鎳氧化物（LiNiO2）、鋰錳氧化物（LiMn2O4）成本較高，因此許多廠商開發導電型高分子聚合物取代這些陰極材料，常用的高分子聚合物包括：有機硫聚合物（Organosulfide Polymer）、聚苯胺（Polyanaline）與聚吡咯（Polypyrrole）等。

由於高分子聚合物無毒性、成本低、易於加工成形、能量密度高，目前開發的廠商包括：美國的 Bellcore、Valence、AEA、Ultralife 等公司；日本的松下（6752-JP）、東芝（Toshiba Corp., 6502-JP）、湯淺（6674-JP）、日本電池等公司。

以高分子聚合物做為電解液

傳統鋰離子電池所使用的電解液是含有鋰離子化合物的有機溶液，容易揮發燃燒，又有漏液的可能，因此有安全上的顧慮。科學家利用高分子聚合物取代鋰離子電池中的有機溶液，目前廣泛的應用在各種消費性電子產品上，常用的高分子聚合物有下列四種：

➤PEO 系列：PEO（Polyethylene Oxide）屬於「固態高分子」，是高分子聚合物的始祖，1978 年由 Armandl 提出，在常溫下的導電性很差，因此不適合在常溫下使用，工作溫度大約 60～120°C，所以不容易實用化。

➤Polyacrylate 系列：Polyacrylate 屬於「膠態高分子」，為了解決 PEO 系列固態高分子導電性太低的問題，1986 年由 Mead、Hope Industries 公司開發，在固態高分子中加入鹽類及塑化劑，形成膠態高分子。早期多為日本公司開發，目前大多已經放棄而改用 PVDF／HFP 的膠態高分子。

➤PVDF／HFP 系列：PVDF（Poly Vinylidene Fluoride）屬於「膠態高分子」，1994 年由 Bellcore 提出，在 PVDF 中再加入HFP（Hexafluoro Propylene），可以增加機械強度與安定性，而且也比較耐燃燒。其中 PVDF 為目前鋰離子電池所使用的助黏劑（Binder），可以減少正負電極之間的介面問題；而 HFP 的作用在於安定電解液，同時幫助保存電解液。

➤PAN 系列：PAN（Polyacrylonitrile）屬於「膠態高分子」，1975 年由 Feaullade 提出，在高分子中加入低揮發性高介電常數的溶劑形成複合高分子，目前較常使用的高分子材料以 PAN 與 PMMA（Polymethyl Methacrylate）為主。

聚合物鋰電池的特性

➤加工容易：聚合物鋰電池可以製作出厚度更薄的單位電池，也容易製作成任意的形狀，可以應用在各種不同形狀的產品上。

➤能量密度高：可以串聯或並聯來增加電壓或容量。

➤耐高溫：鋰離子電池的鋰離子化合物有機溶液會揮發，因此不耐高溫，而聚合物鋰電池的高分子電解液可以耐高溫達 100°C 以上。

➤低成本：聚合物鋰電池不需要昂貴的隔離膜，所以成本較低。

➤循環壽命長：聚合物鋰電池的充放電次數可以達到 1,200 次以上。

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傳統電池直接使用化學反應產生能量（電子），優點是能量轉換效率很高（80% 以上），但是充電需要比較長的時間；而使用燃料以內燃機進行燃燒反應產生能量，優點是可以直接補充燃料，但是使用內燃機的能量轉換效率很低（20% 以下 ），科學家開始思考，有沒有一種方法同時具有「電池」與「燃料」的優點呢？於是燃料電池從此誕生了。

燃料電池和傳統電池的原理相同，都是將活性物質的化學能轉換成電能，但是傳統電池的電極本身是活性物質，會參與化學反應；而燃料電池的電極本身只是儲存容器而已，並不會參與化學反應，必須將活性物質加入電池內（就好像我們的汽車補充燃料一樣 ），才能產生化學反應形成電能，是一種要補充燃料的電池，故稱為「燃料電池（Fuel cell）」。」

燃料電池的原理

燃料電池的原理很簡單，陽極（負極）通入氫氣或其他含有氫原子的燃料（例如：甲醇），經過金屬觸媒催化產生電子與氫離子（H^＋），電子流入元件可以推動電子元件工作，也就是我們所稱的電能，如＜圖一（a）＞所示；氫離子則流入電解液或質子交換膜，如＜圖一（b）＞所示。

陰極（正極）通入氧化劑（例如：氧氣），經過金屬觸媒催化吸收電子形成氫氧離子（OH^－），氫氧離子流入電解質或質子交換膜，如 ＜ 圖一（c）＞ 所示；最後氫離子（H⁺）與氫氧離子（OH^－）結合形成水（H₂O），如＜圖一（d）＞所示。電解質主要的功能是用來傳導氫離子或氫氧離子，通常都是強酸或強鹼。

其實要使用氫氣與氧氣產生能量，最簡單的方法就是燃燒，可是燃燒必須使用內燃機，前面介紹過內燃機的能量轉換效率低於 20 %，而燃料電池直接使用氫氣與氧氣進行化學反應，理論上可以將能量轉換效率提高到 80% 以上，顯然燃料電池同時具有「 電池 」高能量轉換效率與「燃料」可以快速補充的優點。

圖一、燃料電池的原理與構造

燃料電池的燃料

➤直接使用氫氣做為燃料：

如果陽極通入氫氣做為燃料，則可以直接流入陽極，經過金屬觸媒催化產生電子與氫離子，並且和陰極流入的氫氧離子結合形成水。

➤使用含有氫原子的化合物做為燃料：

使用含有氫原子的化合物做為燃料來產生氫氣，例如：甲烷（CH₄）、甲醇（CH₃OH），甚至汽油（己、庚、辛、壬烷的混合物）、生質酒精、沼氣等，都可以經由金屬觸媒引發「改質反應（Reforming reaction）」產生氫氣，再流入陽極，經過金屬觸媒催化產生電子與氫離子，並且和陰極流入的氫氧離子結合形成水。

可惜的是，觸媒的改質反應通常只能將少量的甲醇或甲烷轉換成氫氣（通常低於 10% ），其餘大部分都是轉換成二氧化碳或一氧化碳，所以轉換效率很低。

【重要觀念】

➤觸媒（Catalyst）：是指可以引發化學反應的固體，通常是貴重金屬固體，它可以使原本不會產生的化學反應發生，也可以加快化學反應速率，而且反應前後觸媒本身並不會改變。

❐ 鹼性燃料電池（AFC：Alkaline Fuel Cell）

使用石綿網做為電解質的載體，氫氧化鉀（KOH）溶液做為電解質傳導陽離子與陰離子，操作溫度大約 70～200 度 C，屬於「低溫型燃料電池」，陽極必須使用純度很高的氫氣做為燃料，陰極必須使用純度很高的氧氣做為氧化劑，金屬觸媒使用鉑、金、銀等貴重金屬或鎳、鈷、錳等過渡金屬，目前已經成功地應用在航太工業或軍事用途，比較不適合做為民生用途，能量轉換效率可達 40～50%。

❐ 質子交換膜燃料電池（PEMFC：Proton Exchange Membrance Fuel Cell）

使用多孔性的質子交換膜來取代電解質傳導陽離子與陰離子，質子交換膜只含有水份，由於不含強酸或強鹼所以沒有腐蝕的問題，操作溫度低於 100 度 C，屬於「低溫型燃料電池」，陽極使用氫氣（H₂）或其他含有氫原子的燃料，陰極使用氧氣，金屬觸媒使用鉑、金、銀等貴重金屬或鎳、鈷、錳等過渡金屬，由於壽命長、穩定性高、操作溫度低，可以廣泛應用在行動式車輛與電子產品上，能量轉換效率可達 40～50%。

PEMFC 的關鍵材料為質子交換膜，目前市場上效率最好的質子交換膜是由美國杜邦（DuPont, DD-US）（EI Du Pont De Nemours And Co, DD-US）公司所生產的 Nafion，主要的成份為「聚全氟磺酸」；此外，日本的 Asahi Chemical 公司、美國的 Dow Chemical 公司也都有類似的產品，由於質子交換膜的專利權掌握在少數公司手中，再加上貴重金屬觸媒的價格很高，所以這種燃料電池難以普及。

❐ 磷酸燃料電池（PAFC：Phosphoric Acid Fuel Cell）

使用純磷酸做為電解質傳導陽離子與陰離子，操作溫度大約 160～220 度 C，屬於「中溫型燃料電池」，陽極使用氫氣（H₂）或其他含有氫原子的燃料，陰極使用氧氣，金屬觸媒使用鉑、金、銀等貴重金屬或鎳、鈷、錳等過渡金屬，由於壽命長、穩定性高，是第一個做為民生用途的燃料電池，但是啟動到穩定發電需要比較長的時間，所以不適合做為備用發電機，能量轉換效率可達 40～50%。

❐ 熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell）

使用多孔性陶瓷（氧化鋰鋁）做為電解質的載體，熔融狀態的鹼性碳酸鹽做為電解質傳導陽離子與陰離子，操作溫度大約 600～800 度 C，屬於「高溫型燃料電池」，陽極使用氫氣（H₂）或其他含有氫原子的燃料，陰極使用氧氣，由於在高溫下操作，化學反應可以自然發生，不需要使用貴重的金屬觸媒，所以價格較低，但是這種電池壽命短、穩定性低，而且啟動到穩定發電需要比較長的時間，所以不適合做為備用發電機，能量轉換效率可達 50～60%。

❐ 固態氧化物燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）

使用固態陶瓷 YSZ（氧化釔－氧化鋯：Y₂O₃-ZrO₂）做為電解質傳導陽離子與陰離子，由於電解質內不含強酸或強鹼所以沒有腐蝕的問題，操作溫度大約 600～1,000 度 C，屬於「高溫型燃料電池」，陽極使用甲烷（CH₄）或其他含有氫原子的燃料，並且使用鈷－氧化鋯（Co-ZrO₂）或鎳－氧化鋯（Ni-ZrO₂）做為觸媒，陰極使用氧氣，並且使用鍶－錳酸鑭（Sr-LaMnO₃）做為觸媒，由於操作溫度較高，金屬與陶瓷之間密封不易，而且啟動到穩定發電需要比較長的時間，所以不適合做為備用發電機，能量轉換效率可達 50～60%。

❐ 直接甲醇燃料電池（DMFC：Direct Methanol Fuel Cell）

結構與質子交換膜燃料電池（PEMFC）相似，使用多孔性的質子交換膜來取代電解質傳導陽離子與陰離子，質子交換膜只含有水份，由於不含強酸或強鹼所以沒有腐蝕的問題，操作溫度低於 100 度 C，屬於「低溫型燃料電池」。最大的不同是，質子交換膜燃料電池（PEMFC）的陽極通入含有氫原子的燃料（例如：甲醇）時，必須先將甲醇（CH₃OH）經由觸媒的改質反應（Reforming reaction）形成氫氣，才能流入陽極；而直接甲醇燃料電池（DMFC）是直接將甲醇流入陽極，並且和陰極流入的氫氧離子反應，產生水與二氧化碳，其中甲醇分子裏的氫原子產生水（H₂O），碳原子產生二氧化碳（CO₂）。

DMFC 的陰極使用氧氣，金屬觸媒使用釕、錸、鉬、鎢等貴重金屬或過渡金屬，由於電池結構簡單，而且啟動到穩定發電需要時間很短，再加上具有穩定性高、操作溫度低、補充燃料方便等優點，是目前唯一可以廣泛應用在各種行動式車輛與電子產品的燃料電池，可惜能量轉換效率較低是唯一的缺點，目前可以達到 30% 左右。此外，也有科學家使用奈米觸媒將這種燃料電池製作成體積很小的「微型燃料電池」，可以應用在手機、PDA、筆記型電腦等手持式電子產品中，能量密度比鋰電池高出數十倍，可以讓手機待機超過 100 天以上，不過奈米觸媒成本較高，而且質子交換膜價格也高，商業化仍然有困難。

❐ 燃料電池的優點

➤能量轉換效率高：燃料電池不需要使用內燃機，所以不受卡諾定理的限制，理論上能量轉換效率可以達到 90% 以上，目前工業上實際生產的燃料電池能量轉換效率大約 40～60% 左右，但是仍然有提升的空間。

➤充電時間短：傳統的電池充電必須花費很長的時間，等待逆向化學反應結束後才能完成充電，燃料電池直接補充燃料即可，所以充電的方式和使用內燃機的方式完全相同，非常方便。

➤反應噪音低：目前的火力發電、水力發電、核能發電等技術都必須使用汽輪機推動發電機，運轉時噪音很大，燃料電池是單純的化學反應，所以幾乎沒有噪音的問題。

➤環境污染低：燃料電池使用氫氣與氧氣反應產生水，反應後排放的氮化物或硫化物極少，幾乎沒有任何污染，雖然目前氫氣最大的來源仍然是由輕油裂解工廠進行原油裂解反應產生，但是這種方法產生的二氧化碳比傳統內燃機所產生的二氧化碳減少 40% 以上。

➤燃料種類多：傳統的火力發電或內燃機必須使用煤、石油、天然氣等石化燃料，而核能只能使用具有放射性的鈾 -235，太陽能的能量轉換效率又很低，只有燃料電池可以使用所有含氫的物質做為燃料，包括：氫氣、酒精（可以由植物提煉）、甲醇、沼氣（可以由動物廢棄物提煉）、天然氣等，選擇很多。

➤應用範圍廣：燃料電池可以將許多單電池串聯起來得到很高的電壓與功率，可以廣泛地應用在各種手持式元件、車輛電力、分散型發電機、發電廠等。

❐ 燃料電池的缺點

➤陽極與陰極金屬觸媒價格高：目前燃料電池所使用的陽極與陰極金屬觸媒大部分都含有貴重或稀有金屬，所以價格很高。

➤質子交換膜專利費用高：目前質子交換膜的專利權掌握在少數公司手中，所以專利費用很高，造成燃料電池難以普及。

➤儲氫合金價格不低：如果陽極通入氫氣做為燃料，則必須使用儲氫合金，但是儲氫合金大部分都含有貴重或稀有金屬，所以價格不低。

➤使用含有氫原子的燃料效率不高：如果陽極通入含有氫原子的燃料（例如：甲醇），則必須先將甲醇（CH₃OH）經由觸媒的改質反應形成氫氣，才能流入陽極，但是觸媒的改質反應通常只能將少量的甲醇轉換成氫氣（通常低於 12%），所以效率不高，而且觸媒通常含有貴重或稀有金屬，所以價格不低。

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將數個功能不同的晶片（Chip），直接封裝成具有完整功能的「一個」積體電路（IC），稱為「系統單封裝（SiP：System in a Package）」。

前面曾經提過，要將不同功能的積體電路（IC）整合成一個 SoC 晶片，稱為「系統單晶片（SoC：System on a Chip）」，如＜圖一（a）＞所示，有許多困難需要克服，那就改變方法，直接將它們封裝成一個積體電路（IC）。例如：將個人電腦的處理器（CPU）與北橋晶片（MCH）封裝成一個積體電路（IC），如＜圖一（b）＞所示，

此時仍然是兩個獨立的晶片，只是封裝在同一個外殼而已，困難度大為降低，在某些特別的應用上，甚至可以將被動元件、連接器、天線等一起封裝進去。

圖一、系統單晶片（SoC）與系統單封裝（SiP）示意圖

系統單封裝的優點

➤減少體積：將不同功能的晶片與被動元件封裝成一個積體電路（IC），體積較小（但是仍然比 SoC 晶片體積大一些）

➤比 SoC 晶片容易整合： SoC 晶片不同「功能單元」之間的製程技術不同，要製作在一塊矽晶晶片非常困難；系統單封裝（SiP）只是將不同功能的晶片與被動元件封裝成一個積體電路（IC），容易許多。

➤降低印刷電路板線路複雜度：將不同功能的晶片與被動元件封裝成一個積體電路（IC），可以減少印刷電路板上的積體電路（IC），降低線路的複雜度。

➤提升系統功能：將不同功能的晶片與被動元件封裝成一個積體電路（IC），可以整合更多不同功能的元件，提升系統的功能。

➤加快產品上市時間：系統單封裝（SiP）製程較系統單晶片（SoC）容易，可以加快產品上市的時間。

系統單封裝的挑戰

一般而言，系統單封裝（SiP）並不是隨便將兩個晶片封裝在一起就可以，而是必須滿足下列條件才行：
➤封裝後體積必須變小：將不同功能的晶片與被動元件封裝成一個積體電路（IC），所以封裝後體積必定比個別數個積體電路（IC）還小。

➤必須整合各種類型的封裝技術：必須將數種不同類型的封裝技術整合在一起，與單純將多個晶片封裝在一起的小型封裝技術不同。

➤必須包含各種類型的主動與被動元件：必須包含處理器、記憶體、邏輯元件、類比元件等數個晶片，甚至必須將被動元件、連接器、天線等一起封裝進去。

傳統個別封裝技術、系統單晶片（SoC）、系統單封裝（SiP）的比較如＜表一＞所示，基本上系統單晶片（SoC）具有較多的優點，但是技術困難度較高，因此遇到無法整合成單一 SoC 晶片的時候，常常使用系統單封裝（SiP）來取代。

表一、傳統個別封裝技術、系統單晶片（SoC）、系統單封裝（SiP）比較表

系統單封裝（SiP）的種類

系統單封裝（SiP）的技術經過十年來的發展，慢慢成為縮小積體電路（IC）體積的一個方法，目前主要有下列幾種常見的系統單封裝（SiP）：

➤PiP（Package in Package）封裝：系統單封裝（SiP）可以左右堆疊，如＜圖二（a）＞所示，也可以上下堆疊，如＜圖二（b）＞所示，另外一種類似的封裝方式稱為「PiP（Package in Package）封裝」，就是把兩個封裝好的積體電路再堆疊起來，如＜圖二（c）＞所示。

由於手機需要很小的體積，目前都是把處理器與記憶體兩個晶片封裝成一個積體電路（IC）來縮小體積，但是通常生產處理器的廠商並不生產記憶體（韓國三星公司例外）。

圖二、PiP（Package in Package）封裝示意圖

因此，處理器廠商必須向記憶體廠商購買記憶體晶片，再與自己生產的處理器晶片封裝成一個積體電路（IC）才能出貨，如果良率不夠高，封裝時不小心弄壞了記憶體只能報廢，再將報廢的費用轉嫁到產品上，所以售價很難有競爭力。

➤PoP（Package on Package）封裝：將記憶體封裝成一個積體電路（IC），但是這個封裝外殼比較特別，在下方可以連接金屬球，上方的四周圍也可以，而處理器封裝成另外一個積體電路（IC），在下方的四周圍可以連接金屬球，所以處理器可以疊在記憶體上面。

如＜圖三（a）＞所示，我們稱為「PoP（Package on Package）封裝」，當然上方的處理器或下方的記憶體可以使用「打線封裝」或「覆晶封裝」，如＜圖三（b）＞所示。

使用這種方法，生產處理器的廠商就不需要再向記憶體廠商購買記憶體晶片，而是由生產手機的廠商自己想辦法解決處理器與記憶體兩個積體電路（IC）疊起來的良率問題，對生產處理器的廠商而言比較方便，售價也比較有競爭力。

圖三、PoP（Package on Package）封裝示意圖，資料來源：www.smtonline.com。

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＜圖一＞為數位相機的系統方塊圖，主要有微處理器（MPU）與數位訊號處理器（DSP），此外，還有視訊（Video）輸入與輸出、音訊（Audio）輸入與輸出、「A／D」為類比數位轉換器（ADC）、「D／A」為數位類比轉換器（DAC）。

圖一、數位相機的系統方塊圖

微處理器（MPU）

通常使用 ARM（ARMH-US）技術做為微處理器（MPU），以執行作業系統（OS），主要的功能在控制記憶體與周邊設備，包括視訊（Video）的輸入與輸出、音訊（Audio）的輸入與輸出、按鍵控制、閃光燈、馬達控制、外接記憶卡等。

數位訊號處理器（DSP）

主要的功能在進行照像時的靜態影像（JPEG 格式）與動態影像（MPEG-4 格式）壓縮與解壓縮等數位訊號運算工作，由於數位相機的生產數量龐大，因此目前廠商都是使用特定應用積體電路（ASIC）來取代 DSP，甚至目前都已經將 ARM 與 DSP 或 ASIC 整合成一個「系統單晶片（SoC）」以縮小產品的體積。

快閃記憶體

NOR 閘型快閃記憶體（NOR flash）用來儲存數位相機開機時所使用的小型作業系統（嵌入式作業系統），例如：μClinux、µITRON等；NAND 閘型快閃記憶體（NAND flash）通常用來儲存使用者所拍攝的照片或影片，可以直接內建在印刷電路板上，也可以使用插卡的方式擴充，也就是我們使用的記憶卡，例如：MS、MMC／SD、SM、CF、xD等。

動態隨機存取記憶體

任何電子產品都和電腦一樣必須使用動態隨機存取記憶體（DRAM）做為暫時儲存資料的地方，例如：SDRAM、DDR、MDDR等。

視訊輸入

數位相機的影像輸入通常是使用 CCD 或 CMOS 影像感測器，由於影像感測器輸入的訊號仍然是類比訊號，所以必須使用一個「A／D」將類比訊號轉換成數位訊號，又稱為「類比前端（AFE：Analog Front End）」，此外，數位相機通常還必須控制閃光燈，並且使用「馬達驅動積體電路（Motor Driver IC）」來控制馬達調整鏡頭的凸透鏡前後移動進行「自動對焦（AF：Auto Focus）」。

視訊輸出

數位相機的影像輸出通常有兩組，一組是數位訊號連接液晶顯示器（LCD），另外一組先經過一個「D／A」將數位訊號轉換成類比影像訊號，又稱為「視訊編碼器（Video Encoder）」，或是使用「HDMI（High Definition Multimedia Interface）」直接輸出數位影像訊號，再使用一條訊號線外接到電視機。

音訊輸入與輸出

音訊輸入通常是錄影時經由麥克風接收進來的聲音，先經過「A／D」將類比聲音訊號轉換成數位訊號，又稱為「音訊解碼器（Audio Decoder）」，再傳送到數位訊號處理器（DSP）進行壓縮運算。

音訊輸出通常是播放影片時播出的聲音，先經過「D／A」將數位訊號轉換成類比聲音訊號，又稱為「音訊編碼器（Audio Encoder）」，再傳送到喇叭播放出來，因為大部分電子產品會同時使用麥克風與喇叭，因此目前都會整合成一個「音訊編碼解碼器（Audio Codec）」。

電源管理

目前數位相機都是使用外部的電源供應器（PSU），就是那個大大的插頭囉！一般是將 110V 的交流電轉換成 19V 的直流電輸入，經由數位相機內部的電源積體電路（Power IC），例如：線性穩壓器（Linear regulator）、升壓轉換器（Boost converter）、降壓轉換器（Buck converter）等轉換成 3.3V、1.8V、1.2V 提供給印刷電路板（PCB）上的處理器、記憶體，以及其他積體電路（IC）使用。

電池管理

數位相機必須使用電池，因此必須進行電池管理，其中「充電積體電路（Charger IC）」負責監控電池的充電電壓與控制電池的充電電流；「電池容量積體電路（Gas gauge IC）」負責監控電池剩餘電量與充電電量，然後回報給微處理器（MPU），最後顯示在液晶顯示器（LCD）上，才會有我們常常看到的電池剩餘電量囉！

「保護積體電路（Protection IC）」，通常使用微控制器（MCU）進行過電壓保護（OVP：Over Voltage Protection）、過電流保護（OCP：Over Current Protection）、過溫度保護（OTP：Over Temperature Protection）、短路保護（SCP：Short Circuit Protection）等，由於目前大部分的手持式裝置都是使用鋰電池，鋰的活性很高，所以必須使用一些積體電路來控制，避免過度充電造成爆炸。

＜圖二＞為德州儀器（Texas Instruments, TXN-US）（TXN-US）公司數位相機的系統方塊圖實例，看起來比較複雜，但是和前面畫的簡圖其實是一樣的，只是加上更多可能的周邊介面而已。

圖二、德州儀器公司數位相機的系統方塊圖（參考資料：www.ti.com.tw）

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能源可以大約分為初級能源與次級能源兩種，如＜圖一＞所示。

➤初級能源（Primary Energy）：又稱為「一次能源」，是指天然形成的能源，又可以分為「再生能源」與「非再生能源」兩大類：

1. 再生能源：可以隨著大自然的運轉而永不枯竭的能源，早期因為再生能源穩定度低、成本又高，因此發展困難，例如：風力能、水力能、太陽能、地熱能、生質能、海洋能等。
2. 非再生能源：必須消耗掉的能源，所以蘊藏量有限，與再生能源相對穩定度高、成本較低，但是使用時卻會造成環境污染，例如：石油、天然氣、煤炭、核燃料等。

➤次級能源（Secondary Energy）：又稱為「二次能源」，是指由初級能源經過處理或轉換以後所形成的能源，例如：電能是由發電機產生；汽油、柴油、燃料油、液化石油氣、煤氣等是由石油提煉而來。

圖一、能源可以大約分為初級能源與次級能源

能源的消耗

目前全球能源消耗情形如＜圖二＞所示，前三名依序為石油（38%）、煤炭（26%）、天然氣（24%），核能發電與水力發電則並列第四名，由圖中可以看出目前人類 88% 的能源都是依賴燃燒能源，不幸的是，人類目前使用的燃燒能源都是屬於「非再生能源」，所以蘊藏量有限，在可以預見的未來，非再生能源會慢慢枯竭，價格也會慢慢上漲，發展其他替代能源刻不容緩。

圖二、目前全球能源消耗情形（資料來源：經濟部能源局、BP Statistical Review of World Energy June 2004）

移動式的能源

使用在移動的設備上，例如：汽車、火車、飛機、甚至太空梭（2440-TW）等，移動式的能源通常必須考慮可攜帶性，所以必須滿足體積小、移動性高、馬力充足等特性才行。

➤由化學能產生機械能(化學能—熱能—機械能)
通常都是使用汽油或柴油進行化學燃燒反應(化學能)，利用燃料點火產生爆炸(熱能)，最後推動引擎(機械能)，機車、汽車、飛機等移動式的交通工具大多使用這種能源，因為燃燒汽油或柴油的引擎體積小，而且補充燃料也很容易(只要到加油站和工讀生說：95加滿！就可以了，怎麼樣，夠容易了吧！)，燃燒汽油或柴油也可以提供足夠的馬力，讓人享受風馳電轍的感覺，不過別忘了，這種方式必須使用內燃機(熱機)，因此產生的能量受到卡諾定理的限制，能量轉換效率只有20%~30%。

➤由電能產生機械能(電能—機械能)
通常都是使用電池或高壓電力線(電能)直接推動電動馬達(機械能)，電動機車、捷運系統、高速鐵路等移動式的交通工具大多使用這種能源，不過使用電池推動車輛常常會有馬力不足的問題，必須提高電壓串聯許多電池，早期由於使用鉛儲電池能量密度較低，因此電動機車馬力不足，近年來由於鋰電池技術成熟，使得電動車產品日漸成熟。

固定式的能源

使用在固定的設備上，例如：家庭、學校、工廠等，固定式的能源通常不必考慮可攜帶性，所以大多是直接以電力系統提供電力，大部分是屬於「二次能源」，基本上只要有電源插座可以使用就好，不需要考慮到移動性與馬力是否充足的問題。

➤經由化學能產生電能（化學能—熱能—機械能—電能）
以瓦特發明的蒸氣機為代表，火力發電廠、核能發電廠等就是使用這種方式提供能源，通常都是使用石化燃料或核燃料進行化學反應（化學能）產生高溫（熱能），再利用熱能推動蒸氣機與發電機（機械能），最後才能產生電能，這種方式仍然必須使用外燃機（熱機），因此產生的能量受到卡諾定理的限制，能量轉換效率只有 20%～30%。

➤經由機械能產生電能（機械能—電能）
水力發電、風力發電、潮汐發電等就是使用這種方式提供能源，通常都是使用大自然的力量直接推動發電機（機械能）產生電能，使用這種方式產生的能量轉換效率不受卡諾定理的限制，但是由於水力、風力、潮汐等都是屬於大自然的現象，並不是任何地方都可以使用。

高效率的能源

傳統電池、燃料電池等都是直接由化學能產生電能，通常都是使用陽極與陰極進行化學反應（化學能），直接產生電子（電能），這種能源可以使用在固定式的設備做為發電機，也可以使用在移動式的設備，例如：小型的移動式電子產品可以使用電池推動積體電路（IC）工作，大型的電動汽車也可以使用電池推動馬達。

此外，使用這種方式產生的能量轉換效率不受卡諾定理的限制，理論上可以達到 90% 以上，不過由於目前科學家還沒辦法讓化學反應完全進行，所以實際上的能量轉換效率只能達到 50%～60% 左右，傳統電池與燃料電池的原理類似，但是產生化學反應的方法不同，由於燃料電池是未來很重要的一種能源，後面將會詳細介紹。

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「異質雙極性接面電晶體（HBT：Heterojunction Bipolar Transistor）」簡稱「HBT」，依照不同的導電特性又可以分為 NPN-HBT、PNP-HBT 二種：

➤NPN-HBT：NPN-HBT 的構造如 ＜圖一（a）＞ 所示，在砷化鎵基板上分別製作 N 型砷化鎵、P 型砷化鎵、N 型砷化鋁鎵三個水溝，最後分別在上方蒸鍍金屬電極，左邊的金屬稱為「射極（Emitter）」，中間的金屬稱為「基極（Base）」，右邊的金屬稱為「集極（Collector）」。HBT 構造與 BJT 相同，只是將左邊射極（Emitter）的材料換成 N 型「砷化鋁鎵」。

➤PNP- HBT：PNP-HBT 的構造如 ＜圖一（b）＞ 所示，與 NPN-HBT 相同，但是 N 型與 P 型區域相反，因此導電特性相反。

圖一　HBT 的構造

HBT 放大器（HBT amplifier）

HBT 放大器的工作原理如 ＜圖二＞ 所示，將「較小的電壓或電流（小訊號）」輸入基極（Base），由於 HBT 的元件特性會使訊號放大，轉變成「較大的電壓或電流（大訊號）」由集極（Collector）輸出，這就是「類比積體電路」工作的基本原理。其實 BJT 同樣可以應用在「數位積體電路」，但是當 HBT 應用在數位積體電路時並不稱為「開關」，而是將數個 HBT 連接在一起形成「HBT 邏輯電路」，最常見的包括 DTL 電路、TTL 電路、ECL 電路等，但是由於耗電量較大，目前大部分已經被 CMOS 製作的積體電路（IC）取代了。

圖二　HBT 放大器的工作原理

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金屬-半導體場效電晶體（MESFET：Metal Semiconductor Field Effect Transistor）簡稱為「MES」，依照不同的導電特性又可以分為 NMES、PMES 二種：

➤NMES（N-type MES）：NMES 的構造如 ＜圖一（a）＞ 所示，在 P 型矽基板的左右各製作一個N型的區域（類似水溝的構造），並且在上方蒸鍍金屬電極；另外在矽基板的中央上方製作一層氧化矽，上方再蒸鍍一層金屬電極，中央的金屬稱為「閘極（Gate）」，左邊的金屬稱為「源極（Source）」，右邊的金屬稱為「汲極（Drain）」。

➤PMES（P-type MES）：PMES 的構造如 ＜圖一（b）＞ 所示，與 NMOS 相同，但是 N 型與 P 型區域相反，因此導電特性相反。

圖一　NMES的構造。

MESFET 的尺寸

由 ＜圖一＞ 可以看出，NMES 的閘極長度大約 0.5 μm（微米），所以 NMES 的尺寸大約 2.5 μm。由於使用砷化鎵晶圓製作，製程技術沒有矽晶圓成熟，而且市場上並沒有縮小線寬的需求（理由將在後面說明），因此「閘極寬度」比 MOS 要大許多，目前商業化的製程線寬從以前的 0.8 μm 進步到 0.6 μm、0.35 μm、0.15 μm。台灣除了製作 MOS 的晶圓廠，例如：台積電（2330-TW）、聯電（2303-TW）之外，也有製作 MES 的晶圓廠，例如：全新光電（2455-TW）、巨鎵科技、穩懋（3105-TW）半導體等。

MES 開關（MES switch）

NMES 開關的工作原理如＜圖二＞所示，將電子由左邊的源極（N 型水溝）注入，經過中央的閘極下方（P 型通道）以後，再由右邊的汲極（N 型水溝）流出，是否要讓電子通過，則由閘極「不加電壓（關）」或「施加電壓（開）」來控制：

➤閘極不加電壓：電子由左邊的源極（N 型水溝）注入以後，由於閘極下方為 P 型不導電子，故電子無法通過，形成斷路，代表 0，如 ＜圖二（a）＞ 所示。

➤閘極施加電壓：電子由左邊的源極（N 型水溝）注入以後，由於閘極施加正電壓吸引下方P型砷化鎵晶圓中的少量電子浮到表面，形成含有電子的通道（Channel），電子沿著通道繼續前進，形成通路，代表 1，如 ＜圖二（b）＞ 所示。

MES 開關的工作原理與 MOS 相同，但是砷化鎵的製程技術沒有矽晶圓成熟，所以元件尺寸比較大，成本也比較高，但是砷化鎵的原子振動頻率比矽高，所以適合用來製作高頻積體電路。使用 MES 開關來製作「數位積體電路」，例如：處理器（CPU），工作頻率可以達到 10 GHz 以上，早期曾經使用這種處理器來製作超級電腦（Super computer），應用在軍事用途，由於成本太高最後放棄，目前超級電腦也是使用 CMOS 來製作處理器（CPU），只是同時有很多個處理器（CPU）一起工作來提昇運算速度，就是所謂的「多核心處理器」。

圖二　NMES開關的工作原理。

MES 放大器（MES amplifier）

MES／HEMT 放大器的工作原理與 MOS 相同如 ＜圖三＞ 所示，使用 MES 放大器來製作類比積體電路，例如：射頻積體電路（RF IC）、功率放大器（PA）、低雜訊放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等，則工作頻率可以達到 10 GHz 以上，而且穩定性高、雜訊低，目前廣泛的應用在高頻無線通訊設備中，例如：行動電話、衛星通訊，因此 MES 大多做為「高頻放大器」使用。

圖三　NMES放大器的工作原理

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電的主動元件（Active device）

主動元件泛指有參與電訊號調變的電子元件，所謂「有參與電訊號調變」是指可以控制電子（電洞）導通（代表 1）或不導通（代表 0）的電子元件，這種元件通常也具有放大或減小電訊號的功能，主要分為下列兩大類，如＜圖一＞所示：

➤二極體（Diode)：利用「順接」與「逆接」控制電子可導通與不可導通，一般應用在製作「類比積體電路」，作為整流電路將交流電（AC）轉換成直流電（DC)，但是大部分的積體電路（IC）使用電晶體來製作。
➤電晶體（Transistor)：可以做為「開關（Switch)」或「放大器（Amplifier)」兩種功能不同的元件，開關是利用外加電壓控制電子（電洞）可導通（代表1）與不可導通（代表0)，主要應用在「數位積體電路」，例如：處理器（CPU)、記憶體（RAM 或 ROM）等；放大器則是利用電晶體的元件特性使較小的輸入電壓或電流轉變成較大的輸出電壓或電流，使原始訊號放大，主要應用在「類比積體電路」，例如：功率放大器（Power amplifier)、音訊放大器（Audio amplifier)。

• 場效電晶體（FET：Field Effect Transistor)：例如 MOSFET、MESFET、HEMT 等元件。
• 雙極性接面電晶體（BJT：Bipolar Junction Transistor)：例如 BJT、HBT 等元件。
• 混合型電晶體：將場效電晶體（FET）與雙極性接面電晶體（BJT）結合起來形成混合型電晶體，例如 BiCMOS 等元件。

電的被動元件（Passive device）

被動元件泛指沒有參與電訊號調變的電子元件，所謂「沒有參與電訊號調變」是指無法控制電子（電洞）導通或不導通，換句話說，被動元件只是單純地讓電子（電洞）通過，但是在電子（電洞）通過被動元件的過程中可能會產生一些電場或磁場的效應，主要分為電阻、電容、電感三種，如＜圖一＞所示。

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前面介紹過，有線電視不同的電視台必須使用不同的頻率範圍來傳送電視節目，那麼是由誰來決定那一個電視台使用那一個頻率範圍呢？國內的電視台早期是由行政院新聞局來管理，目前則由國家通訊傳播委員會（NCC）管理，電視台想要獲得播放權必須取得某一個頻率範圍的使用權利來播放節目，並且支付使用執照費，這個費用最後會轉嫁到安裝第四台的消費者身上囉！

有線通訊的頻譜分配比較沒有那麼嚴格，使用執照費也比較低一些，主要因為它是「有線」，假設台北有一條有線電視傳輸線，傳送有線電視頻道給台北地區的人收看；高雄有另外一條有線電視傳輸線，傳送有線電視頻道給高雄地區的人收看，在台北的傳輸線可以使用 54～60 MHz 傳送 HBO；而在高雄的傳輸線也可以使用 54～60 MHz 傳送 CNN。

不同的傳輸線可以重覆使用相同的頻率範圍來傳送不同的電視訊號，彼此不會互相干擾，換句話說，如果覺得一條有線電視傳輸線的頻寬（750 MHz）不夠用，再拉一條傳輸線就可以有兩倍的頻寬了，只不過成本變成兩倍而已，由於目前 750 MHz 的頻寬已經足夠，所以並不需要這麼做。

無線通訊的使用執照與頻譜分配

無線通訊的頻譜分配非常嚴格，執照費用也比有線通訊高，主要因為它是「無線」，請大家特別注意，有線通訊不同的傳輸線可以重覆使用相同的頻率範圍來傳送不同的電視訊號，但是無線通訊就沒有這個優點，因為無線通訊的傳輸介質是我們眼睛可以看到的空間，而我們大家是共用同一個空間，所有的訊號都往同一個空間裡丟，所以相同的頻率範圍只能使用一次。

例如：第二代行動電話 GSM900 系統使用頻率範圍 890～960 MHz，則其他的無線通訊（例如：無線電視、無線收音機、衛星通訊、衛星定位、雷達等）就不能再使用這個頻率範圍了，否則會互相干擾，這就是為什麼無線通訊的頻譜非常珍貴，當然使用執照費也比較高囉！

不只如此，由於我們大家是共用同一個空間，如果無線通訊設備任意發出頻率不正確的訊號會干擾到其他通訊設備，因此所有的無線通訊設備，包括我們使用的手機與無線區域網路等產品都必須先進行測試合格才可以上市銷售。

那麼是由誰來決定那一種系統使用那一個頻率範圍呢？國內的無線通訊早期是由交通部電信總局來管理，目前則是由國家通訊傳播委員會（NCC）管理，每一家系統業者（例如：中華電信、台灣大哥大、遠傳電信等）都必須先向國家通訊傳播委員會（NCC）取得使用執照才能經營無線通訊業務，由於無線通訊的頻譜非常珍貴，可以使用的頻率範圍有限，所以使用執照有限，通常會以公開標售的方式讓出價最高的電信業者取得使用執照，這就是最近熱門的「第四代（4G）行動寬頻業務釋照」，當然，最後這個費用會轉嫁到使用手機的消費者身上囉！

第一類與第二類電信事業

根據我國電信法規定，電信事業分為第一類與第二類電信事業：

➤第一類電信事業：係指電信公司有設置基礎設施，例如：擁有無線通訊頻譜執照、有線傳輸網路、基地台或衛星地面站等通訊設備。著名的廠商包括：有線通訊的中華電信、台灣固網；無線通訊的中華電信、台灣大哥大、遠傳電信等。

➤第二類電信事業：係指電信公司沒有設置基礎設施提供基本電信服務，通常只能向第一類電信事業所屬公司租用線路，經營語音、傳真、電話的出租與行動通訊等業務的轉售或加值服務，例如：統一超商電信服務、家樂福電信等。

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「有機電激發光顯示器（OEL：Organic Electrical Luminescence）」又稱為「有機發光二極體顯示器（OLED：Organic Light Emitting Diode）」，其構造如 ＜圖一＞ 所示，將可以發出紅光、綠光、藍光的「有機發光半導體（一種會發光的塑膠）」塗佈在導電玻璃上，再蒸鍍金屬電極，直接對不同顏色的有機發光半導體施加電壓注入電子與電洞，電子與電洞在有機發光半導體內結合發光。

使用有機電激發光顯示器的構造簡單，亮度夠高，可惜有機發光半導體其實就是一種「塑膠」，由於塑膠發光的光學性質不穩定，造成生產的良率很低，成本一直降不下來，而且使用壽命較短（用久了會褪色），目前這種顯示器通常應用在手機、汽車音響顯示面板等產品。

圖一、有機電激發光顯示器的構造。資料來源：www.lg.com/tw/tvs/lg – OLED65E6T。

 有機電激發光顯示器的種類

有機發光半導體主要有「有機發光二極體（OLED）」與「高分子發光二極體（PLED）」兩種，其比較如 ＜表一＞ 所示，由於 OLED 的製程比 PLED 更成熟，目前商業上量產的 OLED – TV 都是屬於 OLED。

➤ 有機發光二極體（OLED：Organic Light Emitting Diode）

以分子量較小的有機發光半導體製作，分子量通常小於 3,000，又稱為「小分子」，使用「加熱蒸鍍法」製作，將小分子有機發光半導體放在鎢舟內加熱，使小分子受熱昇華（由固體直接變成氣體），成長在導電玻璃上。

優點：使用真空系統製程比較穩定，產品品質較高。

缺點：使用真空系統所以成本較高，加熱均勻性不易控制造成良率較低。

➤ 聚合物發光二極體（PLED：Polymer Light Emitting Diode）

以分子量較大的有機發光半導體製作，分子量通常大於 10,000，故稱為「高分子」或「聚合物」，使用「旋轉塗佈法」製作，將高分子有機發光半導體溶解在有機溶劑中，使用旋轉塗佈在導電玻璃上。

優點：不使用真空系統，成本較低。

缺點：不使用真空系統，所以製程比較不穩定，產品品質較差，良率更低。

表一、有機電激發光顯示器的種類。資料來源： 光訊雜誌，第 95 期，第 28 頁，國科會光電小組。

有機電激發光顯示器的優點

➤ 構造簡單、厚度很薄：由於有機電激發光顯示器構造簡單，所以厚度很薄。

➤ 沒有視角的問題：沒有利用液晶分子使極化光旋轉的原理，所以不像液晶顯示器（LCD）一樣有視角的問題。

➤ 不需要背光源，亮度很高：由於液晶顯示器需要背光源，構造比較複雜，而有機電激發光顯示器不需要背光源，構造簡單，亮度很高。

有機電激發光顯示器的缺點

➤ 耗電量較高（與反射式液晶顯示器比較）：反射式液晶顯示器在明亮的場所因為有太陽光或背景光，所以光源不需要發光，比較省電；有機電激發光顯示器必須保持通電才能看到影像，比較耗電。

➤ 用壽命較短、製程良率很低：有機發光半導體其實就是一種「塑膠」，而塑膠發光的光學性質不穩定，造成有機電激發光顯示器的良率很低，成本一直降不下來，而且使用壽命較短（用久了會褪色）。

➤ 紅色與藍色價格高：發出紅光與藍光的有機發光半導體發展較晚，價格很高，造成彩色有機電激發光顯示器價格較高。

有機電激發光顯示器（OEL）與液晶顯示器（LCD）的比較

有機電激發光顯示器（OEL）在市場上最大的競爭對手是中小尺寸的液晶顯示器（LCD），這兩種顯示器值得我們花點時間來比較一下，如 ＜表二＞ 所示：

➤ 發光方式：OEL 是使用有機發光半導體自已發光，必須一直通電才能看到影像，比較耗電；LCD 因為液晶本身不發光，必須靠背光源，如果是反射式或半反射式，可以反射太陽光（背景光），所以不必通電就能看到影像，比較省電。

➤ 彩色顯示：OEL 是使用不同材料的有機發光半導體，發出 RGB 不同顏色的光；LCD 是使用彩色濾光片過濾白光，得到RGB 不同顏色的光。

➤ 厚度與重量：OEL 不需要背光模組，比較薄（約 1mm）也比較輕（約 1g）；LCD 需要背光模組，比較厚（約 5mm）也比較重（約 10g）。

➤ 響應時間：OEL 是使用有機發光半導體自已發光，電壓打開就發光，所以反應快（約 μs）；LCD 是使用液晶分子旋轉來控制黑白，液晶分子旋轉需要時間，所以反應較慢（約 ms）。

➤ 光電轉換效率：OEL 是使用有機發光半導體自已發光，所以每一瓦（W）電可以轉換成 10 流明（lm）的光；LCD 因為有導光板、偏光片、濾光片這些元件，會吸收背光模組發出來的光，所以每一瓦（W）電只能轉換成 4 – 8 流明（lm）的光。

《知識力》授權轉載

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發光二極體（LED）都是使用「化合物半導體」製作，二種以上的元素鍵結形成的半導體，稱為「化合物半導體」。例如：砷化鎵（GaAs）、磷化鋁（AlP）、氮化鎵（GaN）都是屬於三五族化合物半導體，也就是元素週期表上的 3A 族與 5A 族元素，由於化合物半導體的材料特性，再加上 LED 是在單晶晶圓表面成長單晶薄膜，因此導電性高、耗電量低、發光效率佳、色彩飽和度高，比其他發光元件具有更多的優點。

發光二極體的構造

發光二極體（LED）的構造如＜圖一＞所示，外觀呈橢圓形，尺寸與一顆綠豆差不多，但是真正發光的部分只有圖中的「晶粒（Die）」而已，晶粒的尺寸大約 1 毫米（mm），與海邊的一粒砂子差不多，這麼小的一個晶粒就可以發出很強的光，由於發光二極體的晶粒很小，所以一片 3 吋的砷化鎵晶圓就可以製作數千個晶粒，切割以後再打線（Bonding）封裝以塑膠外殼包覆起來，發光二極體的製程與矽晶圓的製程相似，都是利用黃光微影、摻雜技術、蝕刻技術、薄膜成長製作而成，但是尺寸比積體電路（IC：Integrated Circuit）還要大了許多，因此製作上並不困難。

圖一　發光二極體（LED）的構造。

發光二極體的製作

「單晶（Single crystal）」是指原子排列很整齊，單晶薄膜稱為「磊晶（Epitaxy）」，必須在非常嚴格的條件下才能成長出來。目前商業上是先成長晶棒，切割成晶圓，再使用「有機金屬化學氣相沉積（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）」成長不同材料的磊晶（單晶薄膜），磊晶厚度通常在 10 微米（μm）以下，並且在磊晶上製作發光二極體元件結構，最後再切割成一顆顆的「晶粒（Die）」，如＜圖二＞所示。不同材料的磊晶，例如：銻化鋁（AlSb）可以發出紅光、磷化鋁（AlP）可以發出綠光、氮化鎵（GaN）可以發出藍光。

由於薄膜厚度太薄本身沒有機械強度，因此必須成長在有機械強度的基板表面才行，晶圓就是用來支撐薄膜的基板，其中銻化鋁（AlSb）、磷化鋁（AlP）使用砷化鎵晶圓，氮化鎵（GaN）使用藍寶石晶圓，由於發光二極體元件結構是製作在磊晶（單晶薄膜）上，單晶的原子排列很整齊，因此材料的導電性高、耗電量低、發光效率佳，這也是其他新型顯示器比不上的。

圖二 發光二極體（LED）的生產流程。

微發光二極體（Micro LED）

早期的發光二極體晶粒邊長大約 1 毫米（mm），如＜圖三（a）＞所示，切割以後只能用來製作單色發光二極體指示牌或是大尺寸的電視牆，如＜圖四＞所示，後來隨著技術進步，廠商可以切割出晶粒邊長小於 1 毫米（mm）的「毫發光二極體（Mini LED）」，後來廠商著手開發尺寸更小晶粒邊長小於 100 微米（μm）的「微發光二極體（Micro LED）」，如＜圖三（b）＞所示，人類的頭髮直徑大約 100 微米，因此 Micro LED 比人類的頭髮直徑還小，可以應用在中小尺寸面板上，製作出導電性高、耗電量低、發光效率佳、色彩飽和度高的手機面板，造成了整個產業的震撼。目前已經有廠商開發出邊長 10微米（μm）以下的晶粒，使用如此微小的 LED 晶粒可以排列出解析度 1500PPI（Pixel Per Inch）的小尺寸面板。

圖三 微發光二極體（Micro LED）尺寸示意圖。

圖四　發光二極體顯示器。

巨量轉移（Mass transfer）製程

發光二極體（LED）晶粒尺寸原本邊長大約 1 毫米（mm），在切割上已經有相當的難度，尤其是藍光使用氮化鎵（GaN）磊晶，必須成長在藍寶石晶圓上，而藍寶石硬度很高切割困難，更難以想像要切割出邊長 10 微米（μm）的晶粒有多困難，一個高密度（FHD：Full High Density）的顯示器具有 1920 行 x 1080 列大約 200 萬個畫素，每一個畫素還要再分為紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）三個「次素畫（Sub pixel）」，因此總共有大約 600 萬個晶粒（Die），要將 600 萬個比人類的頭髮直徑還小的晶粒切割後黏貼在基板上，業界把這種製程稱為「巨量轉移（Mass transfer）」，其實說穿了！巨量轉移就是把大量的發光二極體晶粒轉移到顯示器基板上。

巨量轉移的困難度有多高呢？我舉一個例子大家就會有感覺了！一般我們晶圓廠的良率 99% 就算是很高的了！良率 99% 如果發生在高密度（FHD）的全彩 Micro LED 面板上，600 萬個晶粒（Die）就有6萬個晶粒（Die）是壞的，我們知道一個面板只要有大約 6 個畫素故障就算瑕疵品，6 萬個晶粒（Die）是壞的根本不能用，如果要少於 6 個畫素故障，那良率必須達到 99.9999%（1-6/6,000,000），這是晶圓廠根本不可能做到的事，目前業界 Mini LED 面板的基礎良率要求為 4 個 9（99.99%），在製程中如果發生晶粒（Die）故障通常是使用修復的方式解決。

我們不只需要切割比人類的頭髮直徑還小的晶粒，還必須將晶粒排列整齊黏貼在顯示器基板上，同時還需要對晶粒打線（Bonding），類似＜圖一＞裡的打線封裝。由於我們必須單獨控制每一個次素畫（Sub pixel）的亮度，因此在基板上的每一個次素畫（Sub pixel）還必須製作對應的開關元件，如果是使用玻璃做為基板則必須在每個次素畫（Sub pixel）成長「薄膜電晶體（TFT：Thin Film Transistor）」。

此外，由於磊晶厚度大約 10 微米（μm），而晶圓（基板）的厚度大約 500 微米（μm），因此還必須使用化學或物理方法將磊晶由晶圓表面剝離，只保留表面 10 微米（μm）的磊晶，換句話說，Micro LED 的巨量轉移不只是在晶圓表面水平方向切割出邊長 10 微米（μm）的晶粒，還必須在晶圓表面垂直方向將 10 微米（μm）的磊晶由晶圓表面剝離，因此這幾年雖然許多廠商投入研發，仍然有許多困難無法克服。

Micro LED 技術發展

微發光二極體（Micro LED）目前主要有三種技術，各自有優缺點：

➤晶片打線（Chip bonding）：將製作完成的晶圓直接切割成 100 微米（μm）以下的晶粒，包含磊晶和晶圓基板，再利用表面黏貼技術（SMT：Surface Mount Technology）或 COB（Chip on Board）技術，將晶粒一顆顆固定在印刷電路板上，可以控制晶粒與晶粒也就是畫素與畫素之間的間隔，再打線（Bonding）連接印刷電路板與晶粒上的金屬電極。

➤晶圓打線（Wafer bonding）：在製作完成的晶圓上，晶粒與晶粒之間蝕刻出間隔，這個間隔就是顯示器上畫素與畫素之間的間隔，再將晶圓（包含磊晶和基板）直接固定在驅動電路基板上，最後使用化學或物理方法將晶圓（基板）剝離，只保留晶圓表面垂直方向 10 微米（μm）的磊晶在驅動電路基板上形成顯示器。

➤薄膜轉移（Thin film transfer）：所謂的薄膜轉移，就是把磊晶（單晶薄膜）由晶圓上轉移到另外一個暫時基板上，再由暫時基板轉移到驅動電路基板上形成顯示器，晶粒與晶粒也就是畫素與畫素之間的間隔可以在轉移的過程中利用製具改變，必須使用蝕刻技術，同時也要使用化學或物理方法將晶圓（基板）剝離。

【備註】晶粒（Die）和晶片（Chip）其實是完全相同的東西，我們習慣將晶圓切割前的正方形稱為「晶粒（Die）」，而將晶圓切割後的正方形稱為「晶片（Chip）」。

各種新型顯示器的比較

➤液晶顯示器（LCD：Liquid Crystal Display）：構造如＜圖五（a）＞所示，基本上是由兩片導電玻璃中間夾液晶，並且具有兩片偏光片與一片彩色濾光片，由於 RGB 三色是由彩色濾光片過濾白光產生，因此耗電量高、發光效率差、色彩飽和度低。

➤有機發光二極體（OLED）：構造如＜圖五（b）＞所示，顯然比液晶顯示器簡單許多，而且有機發光半導體的是自發光，不需要彩色濾光片過濾白光因此效率較高，可惜有機發光半導體是屬於「非晶（Amorphous）」，原子排列混亂因此導電性差、耗電量高，發光效率與色彩飽和度有待提升。

➤量子點電視（QD-TV）：構造如＜圖五（c）＞所示，使用量子點來取代有機發光半導體，由於量子點的「量子侷限效應（Quantum confinement effect）」可以得到比有機發光二極體（OLED）更高的色彩飽和度，可惜量子點所使用的材料是「多晶（Poly crystal）」，原子排列局部整齊，因此導電性差、耗電量高。

➤ 微發光二極體（Micro LED）：構造如＜圖五（d）＞所示，使用「磊晶（單晶薄膜）」製作的顯示器，材料特性極佳，因此導電性高、耗電量低、發光效率佳、色彩飽和度高，比其他顯示器具有更多的優點，原因主要就因為它是使用單晶材料製作，材料特性再加上原子排列很整齊才會具有這些優點，其中發光效率佳代表它只需要很小的尺寸就可以發出很亮的光，因此解析度可以做到很高。唯一的缺點是製作困難，良率有待提升，在 CES 2018 展覽中，韓國三星電子展出 146 吋拼接型 Micro LED 電視，宣告 Micro LED 已經進入可以量產的階段，不過這個仍然是使用在大尺寸的電視牆，要開發中小尺寸的面板仍然有許多挑戰在可以預見的未來，隨著各大廠商投入研發，巨量轉移技術的突破應該是指日可待的。

圖五　各種新型顯示器的比較。

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液晶顯示器（LCD：Liquid Crystal Display）的構造如＜圖一＞所示，如果我們將液晶顯示器的某一部分放大，可以得到許多正方形的「畫素（Pixel）」，同時將每個畫素再切割成紅（R）、綠（G）、藍（B）三種不同顏色的「次畫素（Sub-pixel）」，不停地反覆的排列，和其他種類的顯示器是類似的。

圖一、液晶顯示器（LCD）的外觀。 資料來源：明碁 BenQ17 吋彩色液晶顯示器。

當我們從側面觀察液晶顯示器的一個畫素，可以得到如＜圖二＞的構造，由液晶顯示器的後方向前方，依序為背光模組、後偏光片、後導電玻璃（後玻璃基板＋後透明電極）、薄膜電晶體（主動矩陣式的液晶顯示器才有）、前導電玻璃（前玻璃基板＋前透明電極）、彩色濾光片、保護玻璃、前偏光片等。

圖二、液晶顯示器（LCD）的構造示意圖。

液晶顯示器的原理

液晶顯示器的原理比較複雜，主要是利用前後偏光片與前後導電玻璃之間的液晶分子改變極化光的極化方向，造成每一個畫素亮（白）與暗（黑）的變化，再利用彩色濾光片產生紅（R）、綠（G）、藍（B）三種不同顏色排列組合成我們所看到的影像，我們先簡單說明液晶顯示器相關零組件的功能：

➤背光模組：背光模組包括光源、反射板、導光板等元件組成，使光源均勻分布在整個液晶顯示器的畫面上，看起來整個畫面亮度相同。

➤後偏光片：由於光源發出來的白光為「非極化光」，後偏光片主要的目的在使非極化光變成「極化光（Polarized light）」。

➤後導電玻璃：在玻璃基板上使用濺鍍法（Sputter）成長「氧化銦錫（ITO：Indium Tin Oxide）」形成可以導電的玻璃，稱為「導電玻璃」。氧化銦錫（ITO）是一種陶瓷（金屬氧化物），幾乎所有的陶瓷都是絕緣體，但是科學家發現氧化銦錫（ITO）不但可以導電，而且在厚度很薄的時候，還是透明的，故稱為「透明電極」。

➤薄膜電晶體：在導電玻璃的上面使用半導體製程技術成長「開關元件」，最簡單的開關元件就是「CMOS」，但是 CMOS必須具有金屬、氧化物、半導體的結構，必須成長在矽晶圓上才行，要在導電玻璃上成長開關元件沒辦法使用 CMOS，因此必須另外設計一種開關元件，它的工作原理和「CMOS」很像，我們稱為「薄膜電晶體（TFT：Thin Film Transistor）」，使用薄膜電晶體（TFT）製作的液晶顯示器稱為「薄膜電晶體－液晶顯示器（TFT-LCD）」。

➤前導電玻璃：與後導電玻璃相同。

➤彩色濾光片：在塑膠薄片上塗佈紅（R）、綠（G）、藍（B）三種不同顏色的顏料，不停地反覆排列在顯示器的整個畫面上，稱為「彩色濾光片（Color filter）」。彩色濾光片的原理如＜圖三＞所示，當白光（紅、綠、藍的混合光）通過「紅色的濾光片」，則只有紅光可以通過，綠光、藍光被吸收，所以眼睛只看到紅光；當白光通過「綠色的濾光片」，則只有綠光可以通過，紅光、藍光被吸收，所以眼睛只看到綠光；當白光通過「藍色的濾光片」，則只有藍光可以通過，紅光、綠光被吸收，所以眼睛只看到藍光，「濾光片」其實就是濾掉我們不要的顏色，只讓我們想要的顏色通過，值得注意的是，＜圖三＞中的彩色濾光片只畫出一個畫素來代表而已，實際上應該是紅（R）、綠（G）、藍（B）三種不同顏色，不停地反覆排列在顯示器的整個畫面上，如＜圖一＞所示。

➤前偏光片：前偏光片主要的目的在決定是否要讓旋轉後的極化光通過，如果可以通過則眼睛看起來是「亮（白）」，如果無法通過則眼睛看起來是「暗（黑）」。

圖三、彩色濾光片的構造示意圖。

液晶顯示器的優點

➤厚度較薄：不使用電子束，不需要像陰極射線管一樣在螢幕表面依序掃描，所以不需要太厚。

➤耗電量低：使用發光二極體（LED）或冷陰極燈管（CCFL）做為光源，不使用電子束，所以耗電量低。

➤製程成熟：液晶顯示器已經在市場上存在超過二十年的時間，製作技術非常成熟，不但小尺寸的液晶顯示器技術很成熟，目前連大尺寸的「液晶電視（LCD TV）」都已經進入成熟階段了。

液晶顯示器的缺點

➤大尺寸價格較高：由於材料成本不低，包括偏光片、彩色濾光片、薄膜電晶體（TFT）的製作就佔掉整台液晶顯示器大約 50% 的成本，特別是大尺寸的液晶電視需要大尺寸的偏光片、彩色濾光片，成本更高。

➤大尺寸製作困難：大尺寸的液晶電視必須將薄膜電晶體（TFT）製作在整個後導電玻璃上，要將每個薄膜電晶體製作的非常均勻平坦，而且要有很高的良率是非常困難的工作，就好像大尺寸的晶圓製作比較困難一樣，不過隨著液晶電視產業的發展，目前不但克服了良率的問題，解析度也從原的 FHD（1920 x 1080）發展到目前的 UHD 2K 與 UHD 4K。

➤有視角的問題：由於液晶顯示器是利用液晶分子使極化光旋轉的原理，所以會產生視角的問題，當我們的眼睛傾斜一個角度觀看液晶顯示器的時候，會覺得影像模糊不清。

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