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半導體的誕生(二)——法拉第與布勞恩的無意發現

半導體的誕生(二)——法拉第與布勞恩的無意發現

半導體的誕生(二)——法拉第與布勞恩的無意發現

奇哉,高溫竟然增加導電性?

1833 年,法拉第有一次在做電力實驗時,無意間將燈火靠近硫化銀,結果發現導電能力竟然大增;一旦移走燈火,硫化銀的溫度下降後,導電性又隨之降低。一般金屬在高溫時,導電性都是變差,硫化銀卻剛好相反,令法拉第大感訝異。

硫化銀就是一種半導體。半導體的導電性之所以隨著溫度提高而增加,是因為熱能會讓更多價電子躍遷到傳導帶,因此增加了導電性。(可參見〈半導體的誕生(一)——什麼是半導體?〉

而一般金屬原本僅需要一點點能量就會產生自由電子,集體往正極方向移動。但如果給予太多熱能,原子不再乖乖的排列整齊,電子也四處亂竄,就像本來四通八達的大道變成崎嶇不平的小路,集體向前的行軍隊伍變成無頭蒼蠅,導電能力自然就下降了。

因為觀察到硫化銀奇特的導電性,法拉第成為第一位發現半導體的人,但他並未意識到在導體與絕緣體之外,另外還有一種半導體。

當時距離道爾吞提出原子說還不到 30 年,是否有所謂的基本粒子仍頗受質疑,更無從想像原子內部還有電子與原子核,因此根本無法了解其中原理。法拉第發表這個奇特的現象後,就不了了之,沒有繼續研究,半導體再度躍上檯面,已是四十年之後。

怪哉,只有一個方向會導電?


布勞恩(取自維基百科)

1874 年,才 24 歲的德國物理學家布勞恩 (Ferdinand Braun) 在研究各種硫化物的導電性時,將硫化鉛接上電,卻發現檢流計的指針紋風不動。他試著將正負極的接線互相調換,結果指針馬上就有反應!

這實在太奇怪了,一個物體的導電性無論怎麼測,應該都是一致的。怎麼會因為正負極不同接法,一下是絕緣體,一下又是導體?

其實這正是半導體另一項重要的特性——單向導電性。硫有 6 個價電子,所以硫化鉛是 n 型半導體。一般情況下,電子只能從硫化鉛往正極移動,因此才會從另一個方向測不到電流。

不過那時仍不清楚原子的構造(湯姆森於 1897 年才發現電子),不知如何解釋這個奇特現象。單向導電性又看不出有何用途,因此布勞恩發表實驗結果後,並沒有激起任何漣漪,半導體再次受到忽視。直到1888 年,赫茲發表實驗結果,證實無線電波的存在後,吸引許多人投入無線電收發的研究,硫化鉛這類礦石的單向導電性的用途才彰顯出來……。

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