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半導體的誕生(一)——什麼是半導體

半導體的誕生(一)——什麼是半導體

半導體的誕生(一)——什麼是半導體

晶片缺料變成全球性的問題,台積電的重要性特別受到矚目,國人因此譽之為「護國神山」,而且還用實際行動支持,台積電的股東人數在前幾天竟突破一百萬人。一時之間,晶片、半導體變成大家耳熟能詳的名詞。剛好我的【電腦簡史】正進行到半導體的發現,就順便分成幾篇介紹半導體是如何誕生的。

首先,什麼是半導體?若按字面意義,半導體就是具有半導電性的物體,但何謂半導電性?

我們知道不同元素有不同的電子數,以原子核為核心,由內而外分布於不同殼層。越外層的電子能量越高,其中最外層的電子稱為「價電子」,所處的能階稱為「價帶」。價電子仍被束縛在原子內,所以無法導電,必須獲得能量躍遷到「傳導帶」才能導電。

傳導帶與價帶的能量差距稱為「能隙」,導電性便取決於能隙的大小。金屬的能隙非常小,甚至傳導帶與價帶有部分重疊,所以導電性很高;反之,絕緣體的能隙很大,價電子無法跨越,因此無法導電。半導電的能隙則介於金屬與絕緣體之間。

能隙的大小與價電子的個數有關。每個殼層可容納的電子數都有上限,當價電子殼層越接近填滿狀態,就越穩定,需要更多能量才能激發價電子跳到傳導帶。當價電子越少,就越容易脫離束縛,跑到傳導帶。

圖片來源:維基百科 (Wikipedia)

金屬的價電子通常不超過 3 個(過渡金屬除外),很容易形成自由電子,到處移動。絕緣體通常有 5 個或以上的價電子。碳、矽、鍺、錫、鉛等 IV 族元素有 4 個價電子,剛好是半滿狀態,導電性介於導體與絕緣體之間,屬於半導體;其中矽和鍺是目前主要的半導體材料。

IV 族元素如果摻雜其它元素,導電性也會跟著改變。例如把磷摻到矽裡面,因為磷有 5 個價電子,其中 4 個與矽共用後,還多一個價電子,就更容易跑到傳導帶成為自由電子,這種半導體稱為 n 型 (n 代表 negative)。

矽如果摻的是有三個價電子的硼,只差一個價電子就是最穩定的狀態,猶如有個「電洞」讓經過的電子落入陷阱。旁邊的電子掉進這個電洞後又產生一個新的電洞,形成骨牌效應,從另一個角度看,就像是帶正電的電洞會移動一樣,因此稱為 p 型半導體 (p 代表 positive)。

除了摻雜,化合物也可能形成半導體。最早被發現的半導體,就是與 IV 族元素無關的化合物。下一篇我們就來介紹當初是怎麼發現的。

  • 標題圖片:電路板。圖片來源:維基共享資源 (Wikimedia Commons)

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