第十一单元电子材料Word下载.docx
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而絕緣體(價電子多於4個)則是因為原子的價電子處於穩定狀態,不易由原子中移走,所以不易導電。
而半導體則是一個四價元素,有4個價電子,其導電性質介於導體與絕緣體之間,所以稱為半導體。
目前常用的半導體材料有矽(Si)與銷(Ge)兩種元素,但以矽元素所製成的半導體元件占絕大多數。
1、本質半導體(intrinsicsemiconductors)
本質半導體是指以純矽晶體或純鍺晶體製成的半導體,在這種半導體中不合其他雜質,只由單一元素結晶組成。
以矽晶體為例,在單一的矽原子中,包合有14個帶正電的質子與14個帶負電的電子,如(圖一)所示。
圖中顯示原子的第一層軌道有2個電子,第二層有8個電子,其餘的4個電子分佈在最外層軌道,所以矽原子有4個價電子,是一個四價元素。
當許多矽原子組成一個規則形態的固體時,便形成了矽晶體(siliconcrystal),矽晶體的形成是利用矽原子間的共價鍵(covalentbond)來結合,即結合後的矽原子,其價電子被束縛在共價鍵中,每一個價電子不再只屬於某個單一原子,而是成為相鄰的原子間所共同擁有,所以每一個矽原子的最外層彷彿有8個價電子,形成化學性穩定的狀態,如(圖二)所示。
因為矽與鍺內部的能隙(EnergyGap)很小,所以一部份電子擁有足夠的熱能可被激發進入傳導帶內。
被激發的電子在價電帶內遺留下來的空能階稱為電洞(holes)。
而何謂能隙呢?
在單一的原子中,電子只被允許存在於某些特定的軌道上,這些軌道也稱為電子的能階(energylevel)。
當許多的原子結合成固體時,原來單一原子中可存在電子的能階(軌道),將會受到鄰近原子的電荷分佈影響,而展開成為有一範圍的能帶(energyband)。
(圖三)所示為絕緣體、半導體、導體的能帶圖示,其中價電帶(valenceband)為價電子存在區域;
傳導帶(conductionband)表示其中的電子可自由移動來傳導電流;
而價電帶與傳導帶間的能量間隔則稱為能隙(energygap)。
能隙愈大表示需要愈大的能量,才能使價電子移動至傳導帶,所以能隙較小的物質較容易導電。
能隙的單位通常以電子伏特(eV)表示,leV=1.6x10-19焦耳。
當溫度升高時,由於晶體結構受到環境熱能的影響,某些共價鍵可能因振動劇烈而受到破壞,造成價電子脫離共價鍵成為自由電子(freeelectron),如(圖四)所示。
在價電子離開共價鍵後,會在原價電子處留下一個空缺,此一空缺容易吸引電子來填補(此空缺就如同正電荷般能吸引鄰近的電子),我們稱這樣帶有正電荷性質的空缺為電洞(hole)。
當有一個電壓作用在該材料上時,傳導帶內的電子將朝正極的方向加速前進,而電洞則朝負極的方向加速前進。
如此,電流就藉著電子與電洞的運動來傳導,此時電洞的作用就如同帶正電的電子。
具有這種行為的材料稱為本質半導體(intrinsicsemiconductors)。
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圖一矽原子的結構
圖二矽晶體的共價鍵結構
圖三絕緣體、半導體及導體的能帶
圖四當一能量作用在半導上時,電子移動通過傳導帶,而電洞則朝反方向移動
通過價電帶
2、異質半導體(extrinsicsemiconductor)
精確地控制本質半導體的行為相當困難,因為只要溫度略為改變本質半導體的導電度就有顯著的變化。
然而,經由在某些材料中加入少量的雜質,我們即能製造出一種異質半導體(extrinsicsemiconductor)。
異質半導體的導電度主要是由雜質原子[或稱參雜劑(dopand)]的數目所決定,並且在某個溫度範團內更是與溫度無關。
因此,異質半導體的導電度是可控制且是穩定的。
n型半導體(n-typesemiconductor)如果我們在矽或鍺中加入五價的雜質原子(例如銻),則銻原子的四個電子將參與共價鍵結合作用,而多餘的一個電子將進入一個稍低於傳導帶的施體能帶(donorband)(圖五)。
因為該多餘的原子末被原子緊繫住,所以只需小量的能量,就能使該電子進入傳導帶內。
但是當該施體電子進入傳導帶內時並不會產生相對應的電洞。
圖五當一價數高於四的摻雜劑原子被加入矽中時,將引介一多餘電子並產生一
個施體能帶。
此時電子就更容易受激發而進入傳導帶內
p型半導體(p-typesemiconductor)當我們把三價的雜質原子(例如鎵)加入一半導體內時,將造成電子數目不敷完成共價鍵結合之所需。
因為這個緣故,價帶內將產生一個電洞,而該電洞可由價帶內其他位置的電子來填充(圖六)。
電洞的作用就像電子的受體(acceptor)。
電洞的位置具有比一般電子略高的能量,而在略高於價帶的地方產生一個受體能階(acceptorlevel)。
為了在價帶內產生一個電洞必須(而且只要)讓一個電子獲得能量,然後電洞就能夠移動並傳導電荷。
此種半導體稱為p型半導體。
圖六當一價數少於四的摻雜劑原子進入矽的晶格時,將產生一個電洞,並在略高於價帶的地方產生一個受體能階。
激發電洞使電洞運動所需的能量很小
3、化合物半導體(chemistrysemiconductor)
矽與鍺是僅有的可實際製成半導體的元素。
然而,有許多種化合物都具有相同的效果。
一般將這些化合物區分為兩大類—計量半導體與非計量(或缺陷)半導體。
表一半導體化合物的能隙
計量半導體(stoichiometricsemiconductors)通常是金屬間化合物,它們的結晶結構與能帶結構與矽及鍺相似。
若干實例列在(表一)。
由週期表中的Ⅲ族與V族元素組成的化合物是標準的實例。
由Ⅲ族的鎵和V族的砷結合成的化合物砷化鎵(GaAs)中的原子平均有四個價電子。
非計量或缺陷半導體(nonstoichiometricordefectsemiconductors)為含有過剩的陰離子(形成p型半導體)或過剩的陽離子(形n型半導體)的離子化合物。
許多氧化物和硫化物都具有這種行為。
例如,如果我們把一個多餘的鋅原子加入ZnO內部,則鋅原子將以Zn+2的形態進入結構內,而釋出的兩個電子即成為電荷載體。
這些電子能因少量的能量增加而傳導電流。
4、非晶質半導體(amorphoussemiconductor)
非晶質是從大於分子以上的尺度來看,它是一種不具規則晶體結構材料,這類材料無長程有序排列,但在短程內,原子排列仍然有些規律性。
非晶矽材料是在1974年以後才被發現可用作太陽電池的薄膜材料,它的光吸收效率是單晶矽的40倍,其1μm厚的沈積層相當於單晶矽200μm的光吸收率,基材可以是不鏽鋼、玻璃和塑膠等,並可採用低溫、大面積連續生產,具有低成本的優勢,唯其能量轉換效率低,只有5-10%,戶外可靠性和穩定性差,非晶矽太陽電池暴露在陽光下幾個月轉換效率會有5%-15%的損失。
非晶矽太陽電池主要應用於功率輸出較小的各種消費性電子產品上,如手錶、計算機等,約佔全世界太陽電池元件總產量的5-7%。
5、半導體之電性質(electricalcharacteristicofsemiconductor)
週期表中的ⅣA族元素在它們原子軌域最外面(p能階)都含有二個電子,並且價數為4。
我們會認為由於它們有未填滿的能階,它們應具有很高的導電度。
然而,事實上並未觀測出有這樣的行為。
由於這些元素係以共價鍵結合,因而原子軌域最外面(s與p能階)的電子都被原子牢牢的繫住,幾乎所有以共價鍵結合的材料都具能隙。
因此,這些材料的行為就像是電的絕緣體。
雖然鍺、矽及鍚等三元素為ⅣA族,但是它的能隙卻很小,事實上鍚的能小到使鍚的行為完像金屬。
在矽與鍺內部的能隙稍為大些,因此這兩種元素的行為是半導體(semiconductors)。
(表二)列出ⅣA族的電子導電度,而(表三)列出ⅣA族的能隙。
表二 ⅣA族電子結
構與導電度
表三 ⅣA族的能隙
表三 ⅣA族的能隙與遷移率
6、超導性(superconductor)
完美的晶體在冷卸到絕對零度(零K)時,其行為有如超導體(super-conductors)。
因為它的電阻係數變為零,而使得電流在它內部的流速成為無限大。
不幸的是,完美的晶體與絕對零度都不是真正能作到的。
然而,有些材料在絕對零度以上卻呈現出超導性的行為,即使它們的晶體中含有缺陷。
它們由正常的傳導到超傳導的變化,是突然地發生在某一臨界溫度時如(圖七),該臨界溫度與電子的磁性特質有密切關係。
圖七 在某臨界溫度之下,超導體電阻係數變成零
雖然很多材料都具有超導性(表四),但它們都需要極低的溫度來配合。
超導性行為對產生動力的核融合反應爐之運作是必需的,另外在高鐵及磁浮列車也有超導體的應用實例。
如果能夠找出一種臨界溫度較高的材料,則超導性行為將有更廣泛的應用。
表四若干金屬與化合物超導性之溫度與臨界磁場
參考文獻
1.陳皇鈞“材料科學與工程”,曉園出版社。
2.宋由禮、陳柏宏等“電子學”,旗立資訊公司.
3.江進福”固態電子學導論”,科技圖書公司。
4.張俊彥”半導體元件物理與製作技術”,高立圖書公司。
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