半導體 (Semiconductor)(一)

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半導體 〈Semiconductor〉
高雄市立高雄女子高級中學一年級馬立宜、張晉瑜、周炯彤、陳君庭/高雄市立高雄女子高級中學物理科蔡宗賢老師修改/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

半導體

半導體是一種導電性介於導體與絕緣體之間的固體材料,由於電性質的多樣性,使得它在工程科技上的應用上,顯得非常重要。目前的電子元件,從電腦、手機到數位 影音播放器,都是以半導體作為其主要成份的設計。矽是半導體在商業用途上主要元素,到目前為止已有無數半導體材料廣泛被使用。

概觀
半導體與絕緣體很相似,兩者主要的區別在於能隙的大小(電子脫離原子束縛成為自由電子所需之最小能量),絕緣體比半導體有較大的能隙。半導體因為有能隙,其 電子必須獲得足夠的能量,才能成為自由電子,在室溫,正如絕緣體一樣,其有較少的電子能獲得足夠的能量,從價帶跳到傳導帶成為自由電子,而能貢獻電流,因 此半導體與絕緣體,在未加電場的情形下,兩者電阻值是差不多的,也因為半導體比絕緣體有較小的能隙,所以除了溫度以外,另有其它的方法去控制它的電性。純 質型的半導體,可藉助我們稱為掺雜(doping)的過程,加入雜質而改變電性,我們可以大略的估計,在材料中貢獻電流的載子數目,從加入的雜質原子所提 供的自由電子與電洞(後面我們會觀念性的討論)的數目來決定,所以借助較大比例的掺雜,增加載子數目可提升到接近導體的電性,掺雜原子的種類不同,而使得 材料中電子與電洞的數目不同,而分為N型與P型半導體,將N型與P型接合的異質介面,會形成一內建電場,而導致自由電子與電洞能在這區域,受場的作用而移 動,這也是半導體元件在設計上很重要的依據。

除了掺雜,半導體的電阻值也隨著外加電場的多寡而改變,這種外加電場來改變半導體電阻與傳導,是應用半導體很重要的特性,像電晶體與二極體就是完成這方面應用的設計元件,電晶體是半導體的主動元件,如果配合被動元件(例如電阻與電容),就能建造出各種不 同的積體電路,像微處理器就是其中之一。

大多數半導體如果電子損失能量,從傳導帶到價帶這個能量差,它就會以可見光的形式發出,在商業上很重要的 產品,半導體雷射與發光二極體(LED),就是建立在這種光發射的基礎上,相反的如果電子吸收能量從價帶來到傳導帶,或許就可以貢獻電流或產生電的訊號, 光偵測器的原理這是根據這個道理,而光纖通訊與太陽電池也是一樣。

半導體的原料可以是元素,如矽或鍺。也可以是化合物,像砷化鎵或磷化銦,更有些是多種元素的化合物像砷化鋁鎵等。

能帶結構與能隙

首先從單一原子開始,原子有分立的能階,當二個原子靠近時,每個能階分裂成一個上部和一個下部的階層,使得電子離開原來能階的位置。有更多的原子靠近形成固 體時,階層的數量就會增加,因而形成能帶。半導體包含許多能帶。最高的已佔滿電子的能階和最低空著電子的能階之間,形成一個大的能量差異,然後在能帶形成 以後,已佔用的能帶和空著的能帶之間很可能會形成一個能隙。

像在其他固體中,在半導體電子具有從基態能階開始到某些能帶之間的能量(也就是說這 些能階的範圍內)。相對應地我們可了解電子緊緊被原子核束縛,到讓電子成為自由電子的能量差異,這能量差異是電子要完全逃脫束縛而成為自由所需最少能量。 每一能帶對應數量龐大的電子量子態,大多數低能階(比較接近原子核的)的量子態是被填滿的,一般稱為價帶。半導體和絕緣體能與金屬作區別,是因為價帶與傳 導帶有差距而半導體的差距比絕緣體更小,而半導體的價帶幾乎是填滿地在某些操作下提供電子足夠的能量電子將到達很多空的量子態的傳導帶而使電子能作有效的 應用。

我們可以提供電子在半導體中能量,將電子從價帶激發到傳導帶,這個能量的值取決於兩帶之間的能量差異,通常稱為能隙,而能隙的值可將材料是半導體或絕緣體作為一個分界(大致4 eV)。

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電子被激發到傳導帶也留下電子的空位,這個空位也可視為在價帶上空的量子態。傳導帶電子和價帶上的電子空位貢獻電的傳導。電子留下的空位實際上是不移動,但 是一個鄰近電子可能移動去填充這個空位,而移過來電子的位置又留下空位,這樣看上去好像是這個空位在移動一樣,它移動的方向與電子移動的方向相反,所以就 這空位的行為來看,好像是一個正電荷粒子一樣我們就稱其為電洞所以半導體在電的性質上可視為有雙載子(two carriers):電子與電洞。

 

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