每日一词:电导率在绝缘体至导体之间的物质——半导体

每日一词:电导率在绝缘体至导体之间的物质——半导体

半导体(英语:Semiconductor)是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质。电导率容易受控制的半导体,可作为信息处理的元件材料。从科技或是经济发展的角度来看,半导体非常重要。很多电子产品,如计算机、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最具有影响力的一种。

电导率在绝缘体至导体之间的物质——半导体

材料的导电性是由导带中含有的电子数量决定。当电子从价带获得能量而跳跃至导电带时,电子就可以在带间任意移动而导电。一般常见的金属材料其导电带与价电带之间的能隙非常小,在室温下电子很容易获得能量而跳跃至导电带而导电,而绝缘材料则因为能隙很大(通常大于9电子伏特),电子很难跳跃至导电带,所以无法导电。

一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特,介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发,或是改变其能隙之间距,此材料就能导电。

电导率在绝缘体至导体之间的物质——半导体

半导体通过电子传导或空穴传导的方式传输电流。电子传导的方式与铜线中电流的流动类似,即在电场作用下高度电离的原子将多余的电子向着负离子化程度比较低的方向传递。空穴导电则是指在正离子化的材料中,原子核外由于电子缺失形成的“空穴”,在电场作用下,空穴被少数的电子补入而造成空穴移动所形成的电流(一般称为正电流)。

材料中载流子(carrier)的数量对半导体的导电特性极为重要。这可以通过在半导体中有选择的加入其他“杂质”(IIIA、VA族元素)来控制。如果我们在纯硅中掺杂(doping)少许的砷或磷(最外层有5个电子),就会多出1个自由电子,这样就形成N型半导体;如果我们在纯硅中掺入少许的硼(最外层有3个电子),就反而少了1个电子,而形成一个空穴(hole),这样就形成P型半导体(少了1个带负电荷的原子,可视为多了1个正电荷)。

电导率在绝缘体至导体之间的物质——半导体

概括

半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽,意即绝缘体价带中的载流子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带,进入导带中。室温下的半导体导电性有如绝缘体,只有极少数的载流子具有足够的能量进入导带。因此,对于一个在相同电场下的本征半导体和绝缘体会有类似的电特性,不过半导体的能带宽度小于绝缘体也意味着半导体的导电性更容易受到控制而改变。

纯质半导体的电气特性可以借由植入杂质的过程而永久改变,这个过程通常称为掺杂。依照掺杂所使用的杂质不同,掺杂后的半导体原子周围可能会多出一个电子或一个空穴,而让半导体材料的导电特性变得与原本不同。如果掺杂进入半导体的杂质浓度够高,半导体也可能会表现出如同金属导体般(类金属)的电性。在掺杂了不同极性杂质的半导体界面处会有一个内建电场(built-in electric field),内建电场和许多半导体元件的操作原理息息相关(例如太阳能电池电子与空穴对的搜集就是靠内建电场来作用),而参杂后的半导体有许多电性也会有相对应的变化。

电导率在绝缘体至导体之间的物质——半导体

除了借由掺杂的过程永久改变电性外,半导体亦可因为施加于其上的电场改变而动态地变化。半导体材料也因为这样的特性,很适合用来作为电路元件,例如晶体管。晶体管属于有源式的(有源)半导体元件(active semiconductor devices),当有源元件和被动式的(无源)半导体元件(passive semiconductor devices)如电阻器或是电容器组合起来时,可以用来设计各式各样的集成电路产品,例如微处理器。

当电子从导带掉回价带时,减少的能量可能会以光的形式释放出来。这种过程是制造发光二极管以及半导体激光的基础,在商业应用上都有举足轻重的地位。而相反地,半导体也可以吸收光子,透过光电效应而激发出在价带的电子,产生电信号。这即是光探测器的来源,在光纤通讯或是太阳能电池的领域是最重要的元件,也是相机中CMOS Image Sensor主要的运作原理。

【参考来源:维基百科

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全部评论(1)
暴瘦的卡卡西
0
09-16 20:07

看了三遍才看懂

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