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2019-09-01現代科技生活的墊腳石—半導體
597 期
Author 作者
杜立偉／清華大學物理學士，美國西北大學博士，1995年由莫瑞山丘貝爾實驗室加入中山大學。研究奈米半導體、能源及生醫感測等。
1947年，美國新澤西州莫瑞山丘貝爾實驗室（AT&T Bell Labs in Murray Hill）的巴丁（John Bardeen）、布拉頓（Walter Brattain）和肖克利（William Shockley）製作首個以半導體材料完成的電晶體元件。在此之前，19世紀前期半導體就有被探索的記錄，經過20世紀量子物理的解釋，並在實驗中對材料製備的掌控和精進，遂完善此發明。
半導體的基本特性
依據材料的導電性，半導體顧名思義，其導電能力介於導體（金屬）與非導體（絕緣體）間。半導體經由加入適當的化學元素做出改變與調整，可以依能帶理論（energy band theory，圖一）解釋。原子間透過各自的外圍電子，以共價鍵為主的配對型式結合成半導體材料，若施以足夠的能量，鍵結的價電子可以脫離束縛並在半導體材料中自由移動，所需獲得的能量稱為能帶間隙（band gap）。在室溫下，部分電子可由低能量束縛狀態的價帶，超越能隙，提升至高能量導帶的自由載子狀態，但因為能獲取的室溫能量有限，一般增加自由載子的方式是採取摻雜的方式，調控半導體材料的導電性。
圖一：常溫下能帶，半導體導帶下緣的紅色部分為自由電子，價帶上緣的白色部分為自由電洞，代表半導體的自由電子能輕易從價帶躍遷至導帶。
半導體種類包含單一元素、二元、三元及四元化合物以上，四四族、三五族與二六族（含氧化物半導體）等，不下600種，結構分單晶、多晶及非晶。筆者在為數眾多的各種半導體材料中，挑選3種常見半導體晶材介紹。
常見的半導體材料
➡矽
矽（Si）元素是地殼中除了氧以外含量最豐富的元素，矽元素在元素週期表上屬於第四族，外圍有4個價電子，各和1個矽原子形成共價鍵結四面體，為正立方體的鑽石結構。若用第五族的元素，例如1個磷原子取代矽原子，擁有5個價電子的磷在和周圍4個矽原子鍵結後，多出1個電子以弱束縛力處在磷原子附近，只需小能量就可以釋放此電子成為自由電子，形成負型（n型）半導體。
相對而言，若加入如硼的第三族元素，外圍只有3個價電子，與矽原子鍵結時，可稍獲能量，從鄰近配對共價鍵的2個電子中取得1個電子，造成1個電子的空缺，稱為電洞（hole），此空缺又可被鄰近配對電子填補，形同電洞移動的狀態，成為自由電洞，形成正型（p型）半導體。藉由摻入雜質原子的種類及多寡，調控自由載子的種類及濃度。若將正負型半導體相合，便成為現代電子元件的一大基石，稱作正負接面二極體。......【更多內容請閱讀科學月刊第597期】