半導體
電導率在絕緣體至導體之間的物質 / 維基百科,自由的 encyclopedia
半導體(德語:Halbleiter, 英語:Semiconductor, 法語:Semi-conducteur),是一種電導率在絕緣體至導體之間的物質或材料。半導體在某個溫度範圍內,隨溫度升高而增加電荷載子的濃度,使得電導率上升、電阻率下降;在絕對零度時,成為絕緣體。依有無加入摻雜劑,半導體可分為:本徵半導體、雜質半導體(n型半導體、p型半導體)。
電導率容易受控制的半導體,可作為資訊處理的元件材料。從科技或是經濟發展的角度來看,半導體非常重要。很多電子產品,如電腦、行動電話、數位錄音機的核心單元都是利用半導體的電導率變化來處理資訊。常見的半導體材料有:第一代(另一種定義/說法:第一「類」)的矽、鍺,第二代(類)的砷化鎵、磷化銦,第三代(類)的氮化鎵、氧化鋅、氮化鋁、碳化矽等;而矽更是各種半導體材料中,在商業應用上最具有影響力的一種。
材料的導電性是由導帶中含有的電子數量決定。當電子從價帶獲得能量而跳躍至導電帶時,電子就可以在帶間任意移動而導電。一般常見的金屬材料其導電帶與價電帶之間的能隙非常小,在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至導電帶而導電,而絕緣材料則因為能隙很大(通常大於9電子伏特),電子很難跳躍至導電帶,所以無法導電。
一般半導體材料的能隙約為1至3電子伏特,介於導體和絕緣體之間。因此只要給予適當條件的能量激發,或是改變其能隙之間距,此材料就能導電。
半導體通過電子傳導或電洞傳導的方式傳輸電流。電子傳導的方式與銅線中電流的流動類似,即在電場作用下高度電離的原子將多餘的電子向著負離子化程度比較低的方向傳遞。電洞導電則是指在正離子化的材料中,原子核外由於電子缺失形成的「電洞」,在電場作用下,電洞被少數的電子補入而造成電洞移動所形成的電流(一般稱為正電流)。
材料中載子(carrier)的數量對半導體的導電特性極為重要。這可以通過在半導體中有選擇的加入其他「雜質」(IIIA、VA族元素)來控制。如果我們在純矽中摻雜(doping)少許的砷或磷(最外層有5個電子),就會多出1個自由電子,這樣就形成n型半導體;如果我們在純矽中摻入少許的硼(最外層有3個電子),就反而少了1個電子,而形成一個電洞(hole),這樣就形成p型半導體(少了1個帶負電荷的原子,可視為多了1個正電荷)。
普通半導體如矽、砷化鎵、碳化矽等材料中的電子和電洞通常可以用非相對論性的拋物線型色散關係來描述其能量-動能關係(英語:Energy–momentum relation)[1][2],而在最近研發的新型半導體中,包括由麻省理工學院的唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的准狄拉克材料、半狄拉克材料等(唐-崔瑟豪斯理論)[3][4][5], 電子和電洞可以具有不同的相對論效應。這些相對論性的新型半導體材料或可引領下一代電腦晶片、能源裝置的研發。