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半導體物理簡介 半導體物理簡介 1. 半導體材料介紹 半導體的種類 半導體的鍵結與晶格結構 半導體中的導電載子電子與電洞 產生與復合 帶溝與半導體的光電特性 半導體的摻雜 2. 半導體之導電行為 移動電流與擴散電流 多出載子的傳導行為 1 半導體物理簡介 本章是要簡介以半導體為基礎的近代電子學中的基本概念，包括半導體材 料、基本半導體元件，以及應用。這裡僅提供簡單且直覺的物理圖像，嚴謹的探 討與推導公式不在描述的範圍內。 電子技術的進步造就了我們目前資訊電腦產業的發展，更改變了我們日常生 活形態，甚至人類的思考模式、文化活動以及國家間之政治與軍事的互動。電子 技術中的主角就是半導體。因此，我們將由半導體材料的種類及特性開始介紹， 並就他的重要導電行為加以討論，再來介紹最基本的半導體元件二極體。對於 二極體有了初步瞭解後，三極體（或稱為雙極電晶體 BJT）的特性就很容易能夠 掌握。場效電晶體（FET ）的操作原理和三極體完全不相同，這裡會特別介紹在 近代電腦中用得最多的金氧半場效電晶體（MOSFET ）。除了基本元件的原理描 述外，對於一些特殊功能的元件，例如發光二極體、二極體雷射、高頻電晶體等， 均將略加介紹。最後我們將就積體電路技術的內容及發展做簡短的描述，並探討 他們在現代人類生活中扮演的角色。 1 半導體材料 半導體(semiconductor)顧名思義係指導電度介於導體與絕緣體的物質，圖 1 將一些常見材料依其導電度（下方橫軸）標出，上方橫軸所標示的是對應的電阻 -8 3 率。半導體的導電度大約介於 10 到 10 S/cm 之間，範圍相當的廣，即使是同 一半導體材料的分布也很大，這主要是由於半導體的導電性很容易受到雜質、溫 度及光照等製備及環境條件的影響。也正是由於半導體的這個多變的特性，使得 他能夠有多樣性的應用。 圖 1 一些常見材料依其導電度（下方橫軸）及電阻率（上方橫軸）標出。 半導體的種類 半導體材料依其構成的元素可分為元素半導體（element semiconductors ）以 2 半導體物理簡介 及化合物半導體(compound semiconductors) 。元素半導體，例如矽(silicon, Si) 、 鍺(germanium, Ge) ，由單一的四價元素（有四個價電子）所形成。常見化合物半 導體又可依照成分元素的週期表分類分為四四族化合物半導體（如碳化矽 SiC 、 矽鍺合金等 ）、三五族化合物半導體 （如砷化鎵GaAs 、氮化鎵GaN 、磷化鎵GaP 、 砷化銦 InAs 等二元化合物，及砷化鋁鎵 AlGaAs 、磷化銦鎵GaInP 、氮化銦鎵 GaInN 、磷砷化銦鎵InGaAsP 等三元或四元化合物 ）、以及二六族化合物半導體 （如硫化鎘CdS 、鍗化鎘CdTe 、硫化鋅ZnS 等 ）。圖2 是週期表內二價到六價的 元素，大部分的半導體是由這些元素所組成。 圖 2 和半導體相關之週期表 元素半導體中的矽是目前工業中最主要的半導體材料，其原因在於矽在地球 表殼中存量豐富，又能在上面長出品質良好的氧化層，適合大規模的積體電路的 製作。其他半導體則依其特性各有不同的用途，例如三五族半導體有優良的發光 特性以及快速的電子傳導特性，因此在光電產業及通訊電子方面就佔有非常重要 的角色。 半導體的鍵結與晶格結構 半導體的特性和其組成原子間的鍵結以及晶格結構有密切的關係。以矽和鍺 為例，原子最外層有四個價電子，若最鄰近原子數為 4 ，則原子間的鍵結形式為 所謂的 sp3 混成軌道形成之共價鍵(covalence bond) ，所形成的晶格結構和鑽石相 同，稱為鑽石結構(diamond structure) ，圖3(a)是他的一個單位立方晶格中原子排 列的情形，實際的結構就是以此為單位重複的在空間中排列。鑽石結構可以看成 是兩個相同的面心立方晶格（由正立方體 8 個頂點及 6 個面的中心點組成 ），在 沿著