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，一般而言，最外殼層頂多只能容納 8 個價電子，當最外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。而當價電子越少，就越容易脫離束縛，跑到傳導帶，成為自由電子。
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)。
