半導(dǎo)體及基本半導(dǎo)體物理

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1、半導(dǎo)體及基本半導(dǎo)體物理Semiconductoranditsphysicalprinciples(Correspondencewiththetextbook:Section2.5、2.6、2.7)11(壹)原子之一般模型與電子能階○一個(gè)原子乃是由一個(gè)原子核加上一個(gè)或一個(gè)以上的電子所組成。l原子存在的型式是以原子核為中心，而電子在外圍以高速環(huán)繞。l電子以高速環(huán)繞原子核必具有相當(dāng)?shù)哪芰?動(dòng)能加位能)。---根據(jù)物理理論，若原子核外圍的電子不只一個(gè)，則電子的能量最多只會(huì)兩兩相同，絕不會(huì)有三個(gè)或以上的電子

2、有相同的能量。---【包立不兼容原理】l電子繞行的軌道跟該電子的能量有關(guān)。---一般而言，電子繞原子核而行的軌道并不一定成圓形。另外，能量越大的電子，其繞行軌道跟原子核的距離也越大；換言之，其軌道的分布將越在外圍。因此，我們通常稱(chēng)能量較大的電子為外圍電子，而稱(chēng)能量較小的電子為內(nèi)層電子。l電子以高速環(huán)繞原子核所須之向心力，由電子跟原子核內(nèi)的質(zhì)子之間的靜電力來(lái)提供。這個(gè)靜電力將使得電子在正常情況下，無(wú)法脫離原子核而自由行動(dòng)。---這些在原子核外圍環(huán)繞的電子如同被束縛在原子里，因此被稱(chēng)為『束縛電子』，以

3、有別于其它可在原子外面(或說(shuō)原子與原子之間)自由移動(dòng)之『自由電子』。---可以想象自由電子是軌道在無(wú)窮遠(yuǎn)的電子，因此其能量將大于束縛電子的能量。---可以說(shuō)，束縛電子之所以被束縛而無(wú)法成為自由電子，是因?yàn)槠淠芰坎蛔?；通常，吾人稱(chēng)這個(gè)不足之能量的大小為該束縛電子所受到的束縛能。---越外圍的束縛電子其所受到的束縛能也越小，代表其越容易被激發(fā)而脫離原子核。l每一個(gè)繞行軌道所對(duì)應(yīng)的電子能量必為某些特定值，這些特定值使得束縛電子之能量成階段式的不連續(xù)分布，這些電子能量的階段式分布即稱(chēng)為『電子能階』。---

4、根據(jù)包立不兼容原理，每個(gè)能階(或說(shuō)每個(gè)繞行軌道)最多只會(huì)有兩個(gè)電子。11---電子必會(huì)優(yōu)先進(jìn)駐低能量之軌道。因此，多電子的原子的內(nèi)層軌道會(huì)先被填滿(mǎn)。1111(貳)導(dǎo)體、非導(dǎo)體與半導(dǎo)體之區(qū)別及其物理解釋○一般物質(zhì)大體為非導(dǎo)體l對(duì)一般物質(zhì)而言，其原子里頭最外層電子的束縛能大約在幾百分之一到幾分之一個(gè)(電子伏特焦耳)之譜。要這些物質(zhì)在外加電場(chǎng)之下導(dǎo)電，則其最外層電子必須從外加電場(chǎng)獲得至少等于其束縛能的能量。l電子從外加電場(chǎng)取得之能量DE等于外加電場(chǎng)值乘以電子移動(dòng)的距離S。---以氣體為例，每mole氣體

5、(個(gè)分子)的體積為22.4公升，每個(gè)氣體分子的體積不到，每個(gè)氣體原子的體積更小，大約不到。---在這個(gè)體積里，一個(gè)束縛電子所能移動(dòng)的距離不到，也就是。---因此，要使得，必須。---上式所除的是一庫(kù)倫的電荷量，因?yàn)槲覀兯?jì)算的是單一個(gè)電子的能量。l以一個(gè)數(shù)公分的物質(zhì)而言，使其導(dǎo)電所須的電壓將大于十萬(wàn)伏特，根本不切實(shí)際。---要使物質(zhì)在合理電壓之下導(dǎo)電，必須有不同的原子結(jié)構(gòu)，譬如在結(jié)晶體里?！鸾Y(jié)晶體之原子結(jié)構(gòu)l結(jié)晶體內(nèi)部，大量的原子擠在一個(gè)小空間里，原子與原子之間的距離極小。l結(jié)果是，每個(gè)原子的外層

6、電子跟它本身原子核的距離變得跟鄰近原子核的距離差不多，這使得外層電子同時(shí)受到多數(shù)個(gè)原子核的吸引，而成為多個(gè)原子的共有電子。l結(jié)晶體內(nèi)部的束縛電子因此分成兩類(lèi)：1.內(nèi)層電子--軌道距離個(gè)別原子核近，受本身原子核的吸引而繞行，束縛能大。112.外層電子--為結(jié)晶體全體原子所共有，不屬特定原子核，又稱(chēng)為共享電子。l所有這些外層共享電子將視為共同繞行一個(gè)『共體原子核』。---這些共享電子的能量值將受到包立不兼容原理之限制。換言之，若這些電子有個(gè)，則它們將分別具有種不同的能量?！喾吹?，每個(gè)原子的內(nèi)層電子軌

7、道都是獨(dú)立，其能階也都分開(kāi)布建，因此可能出現(xiàn)超過(guò)兩個(gè)內(nèi)層束縛電子有相同能量。譬如說(shuō)，總共有個(gè)原子，則同屬第個(gè)內(nèi)層的所有(到個(gè))束縛電子可能都具有相同的能量。l這些不同的能量將分布在一個(gè)有限范圍里(跟之間，右圖)。---一般而言，大約是幾分之一個(gè)到幾個(gè)。l對(duì)一塊尋常的晶體而言，其所含的共享電子至少在個(gè)以上。---換言之，在跟之間將被劃分為至少以上的不同能階，這些能階之間的能量差因此將約略在之譜。---如此小的能量差，使得這些共享電子只要在極小的外加電場(chǎng)之下，就可獲得足夠的能量來(lái)變換軌道(指在共享軌層

8、內(nèi)變換)。---共享電子在共享軌層內(nèi)藉轉(zhuǎn)換軌道而移動(dòng)，即形成電流。l這些讓共享電子在外加電場(chǎng)之下得以自由變換軌道的共享軌層，因此稱(chēng)為晶體的傳導(dǎo)軌層。又因?yàn)檫@些軌層的能階分布成帶狀，有時(shí)也稱(chēng)它們?yōu)閭鲗?dǎo)帶。---相對(duì)地，晶體的內(nèi)層軌道則稱(chēng)為價(jià)電帶，而其內(nèi)層電子則稱(chēng)為價(jià)電子。l另一方面，只在共享軌層存有空的軌道之際，共享電子方有變換軌道的余地。---若晶體的共享軌層存有適量的空軌道跟共享電子，則此晶體為良導(dǎo)體。---但若共享軌層內(nèi)的共享電子不多，或是空軌道很少，則導(dǎo)電不佳，是為半導(dǎo)體。1