半導體Semiconductors

化學原理啟迪411

1.     從元素週期表來看，矽與碳同屬4A族，矽位於碳之下的位置，我們會預期，矽晶體的結構跟鑽石(碳晶體)一樣。

VALENTINO HAUTE COUTURE SPRING/SUMMER 2013

2.     鑽石(碳晶體)，填滿電子的分子軌域與空的分子軌域之間，存在相當大的能隙energy gap，能隙阻止激化的電子跑到空的分子軌域MOs，使鑽石成為絕緣體；空的分子軌域為導電能帶conduction bands。

3.     矽晶體的情況類似鑽石（碳晶體），但是矽晶體的能隙比較小，少數電子能在25℃下跨越能隙，這使得矽成為半導體元素semiconducting element或半導體semiconductor。

4.     此外，高溫能提供更多能量激化電子到導電能帶，增加矽的導電度，這是半導體元素的典型行為，這點與金屬永遠保持導電性不同。

5.     如果矽晶體摻入其他元素，矽在常溫下的導電性就會提高。舉例來說，當矽晶體有一部份的矽原子換成砷原子，砷原子比矽原子多一個價電子，多出來的電子可用來導電，這樣製造出來的半導體稱為n型半導體n-type semiconductor。

6.     對矽晶體，摻入價電子數量比矽多的原子（砷），提高矽晶體的導電性，製造出來的物質稱為n型半導體。在n型半導體中多餘的電子十分接近導電能帶，十分容易激化到導電能階，傳導電流。

7.     我們可以對矽晶體摻入硼來加強矽的導電度。硼只有3個價電子，硼的價電子數比矽少1顆，硼與周遭矽鍵結時，少1顆必須價電子，造成1個電子空缺，稱為電洞hole。

8.     當周遭有1個價電子轉移到電洞，這顆電子原本所在的位置立刻出現一個新電洞；當這個電子不斷地在矽晶體內重複相同的動作，會出現電子朝向某一個方向前進，而電洞則朝著電子移動的相反方向移動。

9.     這個現象的另一個思考角度是，完全由矽原子組成的晶體，每個矽原子都有4個價電子與其他矽原子鍵結，這使得低能階的分子軌域都被電子填滿。

10. 如果將矽晶體內部分矽原子轉換成硼原子，由於硼原子缺1個價電子，因此硼與矽鍵結之後，將在分子軌域中製造出缺電子的空隙。

11. 這代表某些分子軌域的電子沒有成對，只有1個電子，這些未成對的電子可用來導電。因此，摻入硼的矽成為比純矽更好的導體。

12. 當半導體摻入的是比晶體主要原子（矽）的價電子數更少的原子（硼），稱為p型半導體 p-type semiconductors。p型半導體的p指的是帶正電的電洞positive holes可用來載運電子。

13. 半導體最重要的應用是，將p型半導體和n型半導體連結成p-n接面二極體 p-n junction。下圖是典型的p-n接面二極體。

14. 在接面二級半導體，少量的電子從n型半導體區域，轉移到p型半導體區域，因為p型半導體有一些低能階的分子軌域MOs沒有填入電子。

15. 電子轉移使部分p型半導體區域的電洞填入負電子，n型半導體區域則因為流失一些電子而產生一些正電荷（電洞）；

16. p-n接面二極體在p型和n型區域累積的電荷，稱為接觸電位contact potential或接面電位junction potential，接觸電位為系統內達成平衡的狀態，它阻止半導體內的電子進一步轉移。

17. 如果我們對p-n接面二極體外加電源，將電池的負極端（提供電子）接到p型半導體區域，電池的正極端（接收電子）接到n型半導體的區域，如下圖：

18. 結果，p-n接面二極體的電子受到電池的正極端吸引，集中到p型半導體靠近正極的區域，電子轉移後遺留下來的電洞（正電）則移往n型半導體區域的負極端。電洞的移動方向與電子的移動方向正好相反。

19. p-n接面二極體，p型半導體區域接負極，n型半導體區域接正極，會製造出電阻，阻止電流通過，稱為逆向偏壓reverse bias。

20. 如果p-n接面二極體是，n型半導體區域接負極，p型半導體區域接正極，會降低電阻，使電流容易通過，這種接法稱為正向偏壓forward bias。

21. p-n接面二極體是相當好的整流器rectifier，這是交流電轉換成直流電的設備。

22. 當p-n接面二極體接的是電流是交流電，交流電是正負交替的電波，由於p-n二極體只傳遞方向符合正向偏壓forward bias的電流，因此交流電通過p-n二極體後轉換成直流電。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／維基百科、Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu、Thenakedscientists.com