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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】