Chih-Tang Sah如何把MOS物理接上CMOS量產？從Fairchild製程團隊到Pao–Sah模型

Chih-Tang Sah（薩支唐）在半導體史上的位置，不能只用「CMOS共同發明者」概括。他更深的影響，是把MOS從一個剛能工作的表面器件，推向可以計算、可以製造、可以驗證可靠度的完整工程系統：他在Fairchild建立物理與製程團隊，處理氧化、擴散、外延和金屬薄膜；他寫出MOS電晶體的物理模型，讓設計者能從材料與幾何推導電流、電容和跨導；他又用CMOS互補結構把待機功耗問題改寫成邏輯架構問題。

本文依據Computer History Museum、University of Illinois、Academia Sinica、Franklin Institute、工程史料與專利原文交叉整理Sah的生平、技術、管理策略與影響。也會保留幾個重要邊界：第一個成功MOS器件由Mohamed Atalla與Dawon Kahng在Bell Labs展示；CMOS專利的法律發明人是Frank Wanlass，但1963年論文與工程成果是Wanlass與Sah的共同工作；氧化層穩定性則是Bruce Deal、Andy Grove、Ed Snow與更多Fairchild研究者的團隊成果。

從北京、Illinois到Stanford：先把物理與器件連起來

University of Illinois的官方校友資料記載，Sah於1932年出生於北京，1953年在Illinois取得電機工程與工程物理兩個學士學位，1954年在Stanford取得碩士，1956年取得電機工程博士。Stanford的博士研究與行波管有關，指導者是Karl Spangenberg。這條訓練使他既能處理電磁與高頻，也能在固態器件裡追蹤載子、界面和電場。

他的父親Pen-Tung Sah是Academia Sinica早期院士，家庭本身有深厚學術背景；但Sah的職涯並非只在大學裡發表理論。他在1956年加入William Shockley的半導體實驗室，接觸晶體、接面、缺陷和實驗設備，之後把這些經驗帶到Fairchild。這段從學校到工業研究室的轉換，是他日後能同時談模型、製程和量產的前提。

Shockley實驗室的三年：從接面復合理解器件失效

Computer History Museum的人物資料指出，Sah加入Shockley Semiconductor Laboratory後，與Shockley和Robert Noyce共同撰寫1957年關於電子—電洞產生與復合的論文。這類研究看似比產品慢，卻直接影響電晶體的增益、漏電和速度：載子在接面或缺陷中心被捕捉，會縮短壽命，也會讓同一設計在不同晶圓上表現不一致。

Sah在這裡學到一個後來反覆出現的原則：器件不是由電路圖單獨決定，而是由材料中的能階、表面態、復合路徑和加工歷史共同決定。當他之後面對MOS時，他不會只問閘極電壓能否改變電流，也會問氧化層有多少固定電荷、界面是否會捕捉載子、量測是否能把這些效應分離。

1959年加入Fairchild：把物理研究變成製程團隊

Sah在1959年加入Fairchild Semiconductor，最終擔任Palo Alto研究實驗室的物理與技術部門主管。Illinois官方資料描述，他協助Gordon Moore建立並帶領一支64人的團隊，目標是把第一代矽積體電路的製造技術做成工廠能採用的流程。這不是單純增加研究人數，而是把物理、化學、設備、量測和生產工程放進同一個問題架構。

團隊處理的技術包括熱氧化、擴散、外延成長和金屬導體薄膜沉積。每一項都會反過來影響器件：氧化層決定表面保護與閘極隔離，擴散決定p-n接面深度與濃度，外延決定基底與主動層的電性，金屬薄膜則決定接觸電阻、互連和可靠度。Sah的管理策略是把「物理原因」保留在製程文件裡，讓問題能跨部門追蹤，而不是把失效歸咎給某一個操作員。

1960年MOS器件之後：Sah做的不是重複Atalla與Kahng

Computer History Museum記載，Atalla與Kahng在Bell Labs於1960年展示第一個成功的MOS場效放大器。Sah承接的問題不同：他要在Fairchild把MOS結構做成可以量測、比較和繼續製造的器件。1960年底，他做出MOS-controlled tetrode，將氧化矽表面、控制電極和既有雙極性結構放在同一個可調器件裡。

Sah的US 3,204,160專利描述一種表面電位控制的半導體器件：矽中有不同導電型區域，接面延伸到表面，氧化層覆蓋接面邊緣，與半導體隔離的控制電極透過電容耦合改變表面電位。專利文字還說明，氧化層可保護接面、改善品質與重複性。這不是把第一個MOSFET的功勞重新歸給Sah，而是說明他如何將MOS概念與Fairchild已有的平面雙極性製程接起來。

表面電位與氧化層：把不穩定變成可設計的參數

早期MOS最棘手的問題不是電場概念，而是矽—二氧化矽界面的不穩定。固定電荷、界面陷阱、金屬污染和水分都可能改變閾值電壓與漏電。當閘極電壓控制的是表面附近的載子分布時，氧化層厚度、表面態和摻雜濃度每一點微小差異，都會變成電路的偏差。

Fairchild的Bruce Deal、Andy Grove和Ed Snow在1963至1966年間用大量實驗追查氧化層與鈉污染，Sah則提供器件物理和模型語言。Computer History Museum指出，這些工作共同解決了MOS的穩定性與良率問題。把這段歷史寫成一位人物的單獨突破會失真；Sah的價值在於把團隊得到的表面化學結果，連到器件特性、測試方法與製造規格。

US 3,204,160：從三端電晶體到表面電位控制

US 3,204,160的專利標題是「Surface-potential controlled semiconductor device」，原始申請人為Fairchild Camera and Instrument，發明人列為Chih-Tang Sah。專利描述在單晶半導體中形成相鄰的不同導電型區域，再以氧化膜覆蓋接面邊緣，讓一個隔離的金屬電極改變附近的表面電位。控制電極可調節復合、增益和電流路徑，因此這個器件既有雙極性電晶體的接面，又引入場效控制。

這種設計的工程意義是把「表面是污染源」轉成「表面可以被保護並被利用」。氧化層不再只是被動遮罩，而是器件的一部分；金屬電極不只傳輸電流，也能透過電容耦合改變能帶和載子。後來的MOSFET、感測器和功率器件都沿著這條表面工程路線發展。

1963年CMOS：Sah與Wanlass如何改寫待機功耗

1963年，Sah與Frank Wanlass在Fairchild的ISSCC論文〈Nanowatt Logic Using Field-Effect Metal-Oxide Semiconductor Triodes〉展示互補MOS邏輯。Computer History Museum的時間線說明，p-channel與n-channel器件以互補對稱方式連接，穩態時理想上幾乎沒有直流功耗；US 3,356,858則由Wanlass申請並描述低待機功率互補場效電路。

CMOS的突破不是「兩種電晶體放在一起」這麼簡單。設計者要讓一個器件在輸入高時導通、另一個關閉，輸入低時則反過來；輸出節點在穩態不必經由電阻持續放電，功耗主要出現在切換瞬間。這種架構把功耗、雜訊容限、速度和製程匹配放進同一個設計權衡，為後來的電池產品、記憶體和微處理器留下低靜態功耗的路線。

CMOS的邊界：法律專利與工程共同成果要分開

US 3,356,858的Google Patents資料將Frank M. Wanlass列為發明人，這是專利歸屬的法律紀錄；1963年ISSCC論文則列Wanlass與Sah共同作者。Sah的角色包括MOS器件物理、製程可行性和Fairchild研究環境，Wanlass則提出互補邏輯配置並完成專利申請。兩種證據描述的層次不同，不能用專利名單抹去論文的合作，也不能用共同論文宣稱兩人擁有完全相同的法律權利。

CMOS後來由RCA等公司商品化，早期速度和製程限制使它一度只適合低功耗應用；當矽閘極、光刻、接面和污染控制改善後，CMOS才逐步超越單極性MOS與雙極性邏輯。Sah提供的是一個可以被製程持續改善的架構，不是直接完成今日所有晶片的單一產品。

1964年MOS模型：把材料參數翻譯成設計方程

Sah在1964年IEEE Transactions on Electron Devices發表〈Characteristics of the Metal-Oxide-Semiconductor Transistors〉。論文以漸近通道近似、表面與體內電荷及載子遷移率等條件建立MOS理論，並由簡化模型推導完整的設計方程與曲線。它把器件幾何、材料特性、閘極電壓、汲極電流、跨導和電容放入可以相互檢查的關係中。

這一步對產業的影響，和一個新器件展示不同。電路設計者不必每次都等待一片晶圓和一台探針台，才能猜一個閘極尺寸會產生什麼電流；他們可以先用模型選尺寸、估功耗與增益，再用量測回頭修正模型。模型不會取代實驗，卻把實驗成本從「每個設計都重做」降低到「針對偏差最有資訊量的樣品測試」。

Pao–Sah模型：把擴散電流與弱反轉納入同一條曲線

Sah與Henry Pao在1960年代繼續處理MOS通道的擴散電流與動態特性。Academia Sinica指出，Pao–Sah模型為MOSFET與MOS積體電路建立重要理論基礎；後來的模型史料則把它視為涵蓋弱反轉、正常操作與飽和區域的基準。這使設計者不只看強反轉時的開關，也能討論低電流、漏電、閾值附近的延遲和功耗。

對先進製程而言，弱反轉不是一個可以忽略的角落。當元件縮小、供應電壓下降，次臨界電流、界面陷阱和短通道效應會影響記憶體保持、待機功耗和類比精度。Pao–Sah的方程提供一個可以與量測、SPICE式電路模型和後續緊湊模型對照的起點，讓器件物理能真正進入CAD與設計流程。

從模型到量產：Sah的64人團隊如何跨過氧化層問題

Illinois官方資料列出Sah團隊的製程範圍，Computer History Museum則記錄Fairchild在1963至1966年間由Deal、Grove和Snow等人追查氧化層與鈉污染。團隊需要把薄膜厚度、熱處理、摻雜、金屬沉積和量測結果對照起來，才能知道閾值漂移是來自化學污染、界面態、接觸，還是電路測試本身。

Sah的策略是維持物理研究和製程工程之間的雙向回饋。模型若無法解釋晶圓數據，就要修改假設；製程若改善了氧化層，模型就必須能預測新器件的電容與電流。這種循環讓Fairchild可以把「可工作的MOS樣品」推向「批次穩定的MOS製造」，也讓後來的RCA、Intel、TI與其他公司有可借用的工程基礎。

接面瞬態電容光譜與DCIV：把可靠度變成可量測學科

Sah的影響還延伸到失效診斷。Academia Sinica記載，他先驅性地發展接面瞬態電容光譜，後來成為深能階暫態光譜（DLTS）偵測半導體微量雜質的前身；他也引入DCIV方法，用直流電流—電壓量測快速評估電晶體可靠度。這兩種方法都把「器件老化」從事後拆解，往前移到可以在測試中辨識陷阱、污染與接面缺陷。

對量產而言，可靠度方法和製程本身同等重要。沒有靈敏的診斷，工程師只能看到良率下降，卻不知道是氧化、金屬、封裝還是摻雜出了問題；有了瞬態和DCIV量測，失效模式可以回饋到設備、材料供應商和製程窗口。這是Sah把物理帶進製造管理的另一個例子。

大學與教材：把工業經驗回流到下一代研究者

Sah在1961年加入University of Illinois，後來任教近三十年；1988年轉到University of Florida，擔任Beauchamp Distinguished Professor、Graduate Research Professor與首席科學顧問。Illinois頁面記載，他和博士生、博士後共同發表近三百篇期刊文章，也創辦World Scientific的ASSET系列，整理電晶體模型與固態電子學專著。

他在1991年出版三卷本《Fundamentals of Solid-State Electronics》，把能帶、接面、MOS、雙極性器件、製程和模型放在同一套教材裡。這種寫法延續他在Fairchild的跨部門策略：學生不只學一條方程，也要知道方程中的遷移率、氧化層電荷、接面深度和接觸電阻如何在實驗室和晶圓廠裡被測出來。

獎項與影響：從IEEE器件獎到國家科學院

Sah獲得IEEE的Browder H. Thompson最佳論文獎、J. J. Ebers Award與Jack Morton Award，並當選美國國家工程院院士、Academia Sinica院士與中國科學院外籍院士。Franklin Institute資料顯示，他在1975年因「消除MOS金屬氧化物半導體中的雜質」獲Certificate of Merit；這個獎項也說明他的工作不只關於電路拓撲，而是關於材料純度、界面可靠度和器件可製造性。

這些榮譽的共同主題是「solid-state electronics中的MOS與雙極性技術」。Sah沒有把自己限制在一個元件名稱，而是把研究、製程、量測、模型和教育串成一個長期領域。這也是為什麼他的影響跨越Fairchild、Illinois、Florida與多個國家研究機構。

歷史邊界：他不是第一個MOSFET，也不是CMOS的單人故事

精確地放置Sah，需要同時承認先行者與接力者。Atalla與Kahng解決表面態並展示第一個成功MOS器件；Sah在Fairchild把MOS引入新的器件結構、物理模型與量產團隊；Wanlass提出互補邏輯並申請CMOS專利；Deal、Grove、Snow及其他研究者解決氧化層污染與穩定性；後來的RCA、Intel、TI與無數晶圓廠則把架構推向產品和規模。

同樣不能把Pao–Sah模型直接等同於今日所有SPICE或BSIM模型。它提供了重要的物理基準，後來研究者再加入短通道、速度飽和、量子效應、溫度與統計變異。Sah的歷史價值在於奠定可驗證的起點，而不是替所有後續數十年的模型署名。

給今日半導體工程的四個教訓

第一，器件物理必須能被製程團隊和設計工具使用；只停在論文中的方程，不能形成產業基礎。第二，研究組織要把氧化、擴散、外延、金屬化和量測放在同一條回饋鏈上，才看得見跨製程的失效。第三，低功耗架構往往來自材料、器件和電路共同設計，CMOS不是單純的邏輯技巧。第四，可靠度測試要在產品前期建立，否則高密度和低電壓只會把未知缺陷放大。

這四點也說明Sah為何適合作為半導體基礎設施人物來理解：他沒有只留下某一顆晶片，而是留下把物理知識轉成設備規格、模型方程、製程窗口和人才訓練的方法。當晶體管縮到奈米尺度，這種跨層方法仍比單一年代的產品更有持續性。

結語：讓MOS從可工作走向可計算、可製造、可長期可靠

Chih-Tang Sah的真正遺產，是把MOS的幾個斷裂環節接在一起：他用表面電位控制與專利把器件結構寫清楚，用Pao–Sah模型把電流和電容寫成設計語言，用Fairchild團隊把氧化、擴散、外延與金屬薄膜變成製程，再用瞬態光譜與DCIV把可靠度變成可量測問題。

CMOS後來成為低功耗數位系統的主流，並不是因為一個年份突然改變產業，而是因為Sah與同事把材料、器件、邏輯、模型和製造逐步對齊。理解這條接力，才看得見他對現代積體電路最深的影響。

從Sah的MOS模型到台灣晶圓代工：物理如何變成可驗證的商業系統

把Chih-Tang Sah放回今天的台灣半導體脈絡，重點不是把他硬說成台積電的直接創辦人，而是追蹤一條可驗證的工程接力：Sah把表面電位、界面缺陷、MOS電流與電容寫成模型；後來的製程公司則把模型轉成製程設計套件、良率控制與大規模晶圓交付。台積電2025年年報提供了一個很清楚的結果端觀察：7奈米及以下先進製程占晶圓銷售金額74%，全年晶圓出貨為1,500萬片十二吋約當晶圓，全年合併營收新台幣3兆8,090億5,000萬元、稅後淨利1兆7,178億8,000萬元、每股盈餘66.25元。這些是台積電的公司數字，不是Sah個人的貢獻，也不能倒推出單一模型造成某項營收。

更合理的讀法，是把財報當成「工程知識被組織化後的規模指標」。先進製程占比上升，代表材料、器件模型、光刻、蝕刻、薄膜、量測、封裝和客戶設計必須同時達標；15.0百萬片出貨則代表這些條件被複製到跨廠區、跨產品與跨客戶的生產系統。讀者可以把這一段與張忠謀與台積電純晶圓代工模式、緯創的AI伺服器系統整合、以及Applied Materials設備與材料基礎設施並讀：人物是知識節點，公司是資本與製造節點，內鏈則把設計、晶圓、設備與系統交付接成一條可追蹤的價值鏈。

從策略上看，Sah留下的借鏡有三層。第一層是把抽象物理參數變成可重複的量測與模型；第二層是把模型嵌入製程窗口與失效回饋；第三層才是由台積電這類台灣品牌把穩定窗口轉成長期資本支出、客戶信任與產品組合。這個順序提醒讀者：先看模型是否能預測，再看製程是否能複製，最後才看財報是否顯示規模與獲利，不能只用年度營收反推技術因果。

財務數據取自台積電2025年中文年報，並以台積電提交美國SEC的2025年20-F交叉核對（2025年營收、稅後淨利、EPS、先進製程占比與晶圓出貨）；技術與人物敘事仍以本文列出的University of Illinois、Computer History Museum、Academia Sinica、專利與論文原始資料為準。

若要從 Chih-Tang Sah 在 Fairchild 把 MOS 物理、氧化與模型接上可製造性，延伸查看 Julius Blank 如何把晶體生長、設備、裝配與海外封裝組成可運轉的製造系統，可接著閱讀 Julius Blank如何把空廠房變成晶片製造系統？從晶體生長、設備工程到Fairchild海外封裝，補上同一實體脈絡的延伸閱讀。

延伸史料、論文與專利

• University of Illinois Grainger Engineering：Chih-tang Sah（教育、Fairchild 64人團隊、製程與學術生涯）
• Computer History Museum The Silicon Engine：People（Sah、Fairchild與MOS製造史）
• Computer History Museum：1960 MOS transistor demonstrated（Atalla、Kahng與Sah的技術邊界）
• Computer History Museum：1963 complementary MOS circuit configuration（Wanlass與Sah的CMOS論文與產業接力）
• Computer History Museum：1964 first commercial MOS IC（Deal、Grove、Snow與氧化層穩定性）
• Academia Sinica：Academician Chih-Tang Sah Passed Away（Pao–Sah模型、CMOS、JTCS與DCIV）
• Engineering and Technology History Wiki：Chih-tang Sah（履歷、Fairchild物理部門與研究成果）
• The Franklin Institute：Chih-Tang Sah（1975 MOS impurity elimination獎項資料）
• Google Patents：US3204160A Surface-potential controlled semiconductor device（Sah的MOS控制器件專利）
• Google Patents：US3243669A Surface-potential controlled semiconductor device（Sah的表面控制與接面器件）
• Google Patents：US3356858A Low stand-by power complementary field effect circuitry（Wanlass的CMOS專利原文）
• CiNii Research：Sah, Characteristics of the metal-oxide-semiconductor transistors（1964 IEEE論文與DOI 10.1109/T-ED.1964.15336）
• Pao and Sah：Effects of diffusion current on MOS transistor characteristics（1966 Pao–Sah擴散電流模型書目）

增量分析：MOS 物理接上 CMOS 量產，靠的是模型、材料與製程控制彼此校準

Chih-Tang Sah 的研究位置，不能只用一個元件名稱概括。MOS 結構、界面、載子、閾值、漏電和電流模型，必須能與實際材料、製程、量測和電路設計互相對照；模型若只在理想條件成立，無法直接支撐量產。

CMOS 的形成也不是單一物理學家的孤立成果。製程團隊、設備、材料、版圖、可靠性和設計工具共同把元件能力變成可製造系統。人物史應區分理論模型、實驗驗證、工業導入和後來的教科書簡化，避免把複雜工程壓成一個發明瞬間。