半导体的基本原理是什么（世界第一简单的半导体原理）

讲到半导体，大家都很喜欢这门科技，因为半导体科技是我们可以享受现代生活最大贡献的新科学，几乎我们生活的方方面面都离不开它的影子，电视，电脑，手机，汽车电子，家电用品与照明显示工具都离不开半导体的技术，但是如果要知道半导体的科技知识，大家可能都会摇摇头，尤其部分理论牵涉到量子力学的观念，太多看不懂的术语，太多没听过的专有名词：电子，空穴，导带，价带，禁带，掺杂，P型，N型，费米能级，二极管，电晶体，IC……..这些专有名词对我们都是有听没有懂，所以今天我要用浅显易懂与有趣的比喻介绍这个的主角：半导体！

5.1半导体的键结

第四章提到，人与人之间，价值观与条件相当的结合是最好最长久的，同样的，3A族，4A族与5A族的原子与原子之间的结合也是最完美的结合，所以创造出了不可思议的科技结晶：半导体晶体，它们结合的媒介就是键结。

图一硅原子的原子核带电量为 14

键结电子(Bonding electron)

当物质以固态存在时，原子与原子或分子与分子相距很近而形成键结，但是物体是如何形成键结的呢？在前面已经介绍过原子的构造，原子包括原子核与电子，电子(带负电)受到原子核(带正电)的吸引而绕着原子核运行。

例如：硅元素的原子序为14，代表原子核外有14个电子，

这14个电子在绕原子核运行时，必然有些电子比较靠近原子核，有些电子则比较远离原子核，如图二(a)所示。

当两个硅原子互相靠近时，比较远离原子核的电子会先互相重迭而产生作用力，形成键结，这些可以形成键结的电子称为「键结电子(Bonding electron)」，如图二(b)所示。

不论原子有多少电子(原子序=电子数)，键结电子永远是最外围的几个电子而已，因此要判断原子有几个键结电子，可以利用元素周期表中A族元素的特性「几A族元素就有几个键结电子」。

图二原子的键结电子

【注意】

「硼、铝、镓、铟、铊」均为3A族元素，不论它们有多少个电子，键结电子都只有3个。

「碳、硅、锗、锡、铅」均为4A族元素，不论它们有多少个电子，键结电子都只有4个。

「氮、磷、砷、锑、铋」均为5A族元素，不论它们有多少个电子，键结电子都只有5个。

化学键(Chemical bond)

在原子产生键结时，必须遵守下列两个规则：

每2个键结电子形成1个化学键。
每个原子的周围存在8个键结电子时最安定，称为「八隅规则」。

以硅晶圆(单晶)为例，如图三(a)所示，硅元素为4A族元素，有4个键结电子。如图三(a)左边虚线方格的硅原子(白色)有4个键结电子(白色○)，右边实线方格的硅原子(绿色)也有4个键结电子(绿色●)，当许多硅原子键结在一起时，每个硅原子的周围都有8个键结电子(4个是自己的，4个是别人的)，因此满足八隅规则，形成安定的硅固体。因为「每2个键结电子形成1个化学键」，因此我们将图形简化成图三(b)，其中长条状的直线即代表化学键，每个化学键由两个键结电子组成。

以砷化镓晶圆(单晶)为例，如图三(c)所示，镓元素为3A族元素，有3个键结电子，砷元素为5A族元素，有5个键结电子。如图三(c)左边虚线方格的镓原子(白色)有三个键结电子(白色○)，右边实线方格的砷原子(绿色)有五个键结电子(绿色●)，当许多镓原子与砷原子键结在一起时，每个镓原子的周围都有八个键结电子(3个是自己的，5个是别人的)，每个砷原子的周围也都有八个键结电子(5个是自己的，3个是别人的)，因此满足「八隅规则」，形成安定的砷化镓固体。因为每2个键结电子形成1个化学键，因此我们将图形简化成图三(d)，其中长条状的直线即代表化学键，每个化学键由两个键结电子组成。

图三键结电子与化学键

5.2半导体的导电特性

半导体的导电特性

由于半导体的导电性不够好，所以必须使用「单晶」来制作集成电路(IC)以增加导电性，但是科学家发现如果只是使用单晶硅或单晶砷化镓导电性仍然不够，要再增加导电性则必须使用掺杂(Doping)技术。「掺杂(Doping)」是指在固体材料中「加一点点」另外一种固体原子，

在硅晶圆中加入不同的原子则会形成两种不同型态的半导体，分别称为「N型半导体」与「P型半导体」。

N型半导体(N type：Negative type)

当我们在硅固体(4A族)掺杂少量的氮原子(5A族)时，称为「N型半导体」，N型半导体最大的特性是「容易传导电子」，电子带负电(Negative)故称为「N型」。

由于硅原子有4个键结电子，氮原子有5个键结电子，当硅与氮键结时总共有9个键结电子，每个氮原子的周围均比八隅规则多出1个电子(●)，如果整块硅固体中有某些位置换成氮原子，则结果如图四(a)所示，整块半导体多出许多电子(●)，这些是满足八隅规则后多出来的电子，可以自由在半导体中移动，故N型半导体容易传导电子。

P型半导体(P type：Positive type)

当我们在硅固体(4A族)掺杂少量的硼原子(3A族)时，称为「P型半导体」，P型半导体最大的特性是「容易传导空穴」，空穴带正电(Positive)故称为「P型」。

由于硅原子有4个键结电子，硼原子有3个键结电子，当硅与硼键结时总共有7个电子，每个硼原子的周围均比八隅规则少了1个电子，「少了一个电子」反过来说就是「多了一个空穴(⊕)」，如果整块硅固体中有某些位置换成硼原子，则结果如图四(b)所示，整块半导体多出许多空穴(⊕)，这些是满足八隅规则后多出来的电洞，可以自由在半导体中移动，故P型半导体容易传导空穴。

看完上面的说明，各位有没有觉得怪怪的，不是说原子的四周最多只能有八个键结电子存在吗(八隅规则)？为什么在N型半导体内原子的四周却有9个电子呢？(如图四所示)。没错，9个电子的材料不稳定根本无法存在，这就意谓着我们利用「掺杂(Doping)」加入的原子数目一定不能很多，所以才说「掺杂(Doping)」是指在固体材料中「加一点点」另外一种固体原子，至于这个一点点是多少呢？一般而言大约是百万分之一(1/106)，看吧，真的只有加了一点点而已。

图四N型与P型半导体

电子与空穴的定义

要学好物理(纳米科技、光电科技、通讯科技)，则必须熟记物理学八字真言：「同性相斥，异性相吸」，只要记得八字真言，则所有高科技产品的原理均可理解。

想象一组干电池如图五所示，电池的正极带正电，电池的负极带负电，我们分别以电线将电池连接到一块半导体的两端，则正极与负极会发生下面的反应：

空穴流(Hole current)：电池的正极会流出「空穴(Hole)」，形成空穴流，空穴带正电。

电子流(Electron current)：电池的负极会流出「电子(Electron)」，形成电子流，电子带负电。

只要电池的电能存在，则电池的负极就会有电子不断流出并且注入半导体，而电池的正极会有空穴不断流出并且注入半导体，如果半导体会发光，例如：使用砷化镓晶圆制作的发光二极管，则这个科技产品就会替我们进行发光的工作；如果半导体不会发光，例如：使用硅晶圆制作个人计算机的中央处理器(CPU)，则这个科技产品就会替我们进行运算的工作。半导体会不停地为我们工作，直到电池的电能消耗完毕为止，这就是所有高科技产品工作的基本原理，想想看，是不是所有的科技产品都要用「电」呢？上面所说的就是原因。

图五电池中的电子流与空穴

5.3半导体的种类

元素半导体

一种元素键结形成的半导体，称为「元素半导体」。例如碳(C)、硅(Si)等固体材料，大多属于4A族元素，请自行参考图六之元素周期表。元素半导体的发光效率很差，因此我们多利用它来制作操作器件，例如：硅(Si)是属于「间接带隙(Indirect bandgap)」，

所以硅晶圆所制作的组件不会发光，一般都用来制作计算机的处理器(CPU)、内存等集成电路(IC)。

化合物半导体

二种以上的元素键结形成的半导体，称为「化合物半导体」。例如：砷化镓(GaAs)属于三五族化合物半导体(3A族的镓与5A族的砷)等固体材料，请自行参考图六之元素周期表。化合物半导体的发光效率极佳，因此我们多利用它来制作发光组件，例如：砷化镓(GaAs)是属于「直接带隙(Direct band gap)」，所以砷化镓晶圆所制作的组件会发光，一般都用来制作发光二极管(LED)、激光二极管(LD)等组件。

砷化镓除了可以制作发光组件以外，由于砷化镓晶圆中的原子振动频率比硅晶圆高(每秒钟振动的次数较多)，而且电子在砷化镓晶圆中移动的速度比在硅晶圆中快，因此砷化镓晶圆还可以用来制作「高频元器件」。

化合物半导体的种类很多，只要具有两种以上的元素混合起来就可以形成，但是必须遵守八隅规则，也就是每一个原子的周围必须都有八个电子，因此化合物半导体有以下几种：

三五族「二元素」化合物半导体
元素周期表上3A族任选一个元素与5A族任选一个元素混合形成，例如：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)等，请自行参考图六之元素周期表。

三五族「多元素」化合物半导体
元素周期表上3A族任选二个以上的元素与5A族任选二个以上的元素混合形成，例如：砷化铝镓(AlGaAs)、磷砷化镓(GaAsP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)、砷化铝铟镓(AlInGaAs)等，请自行参考图六之元素周期表，只要固体中所含有的3A族原子总数与5A族原子总数相等即可。

二六族「二元素」化合物半导体
元素周期表上2A族任选一个元素与6A族任选一个元素混合形成，例如：硒化镉(CdSe)、硫化镉(CdS)、硒化锌(ZnSe)等，请自行参考图1-7之元素周期表。值得注意的是，元素周期表上2A族元素包括：铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)，而上面所提到的镉(Cd)、锌(Zn)等元素其实是在元素周期表中央的B族元素(过渡金属)，但是它们的性质仍然与2A族元素类似，因此我们仍然将它们「视为」2A族元素。

图六元素周期表

【范例】
科学家们制作出那么多种类的三五族与二六族化合物半导体，目的是什么？
〔解〕
当我们对不同的化合物半导体材料施加电压时，会使化合物半导体发出「不同颜色的光」，科学家们利用这种原理可以制作出不同颜色的发光组件，例如：交通号志红绿灯的红光(砷化铝镓AlGaAs)、黄光(砷化铝AlAs)与绿光(磷化铝AlP)等发光二极管(LED)。

5.4半导体的发光效率

不同种类的半导体材料具有不同的发光效率，因此会有不同的应用，例如：硅的发光效率很低，只能用来制作集成电路(IC)；砷化镓的发光效率很高，可以用来制作高亮度的发光二极管(LED)，为什么同样是半导体，同样具有带隙，发光效率却有那么大的差别呢？

直接带隙(Direct bandgap)

「直接带隙(Direct bandgap)」是指电子吸收了外加能量以后可以由价带跳跃到导带，而且电子可以「直接」由导带落回价带，因此能量可以完全以「光能」的型式释放出来，如图七(a)所示，所以发光效率很高，例如：砷化镓(GaAs)的能带结构就是属于直接带隙。

【思考】

在「直接带隙」的半导体中，电子在由导带落回价带的行为，可以想象成一个人由顶楼「直接」跳到一楼，由于能量没有被转换掉，所以落地以后会受伤。

图七直接带隙与间接带隙

间接带隙(Indirect band gap)

「间接带隙(Indirect band gap)」是指电子吸收了外加能量以后可以由价电带跳跃到导电带，但是电子只能「间接」由导电带落回价电带，所谓的「间接」可以想象成在带隙中有一个可以让电子停留的位置，如图七(b)所示，当电子由导带落回价带时，会先在这个位置上停留一下，将大部分的能量转换为「热能」以后，再落回价电带，由于大部分的能量已经转换成热能，根据能量守恒定律，这个电子所剩下的光能就很少了，因此最后能够释放出来的光能很少，所以发光效率很低，例如：硅(Si)的能带结构就是属于间接带隙。

【思考】

在「间接带隙」的半导体中，电子由导带落回价带的行为，可以想象成一个人由顶楼「间接」跳到一楼，意思是跳楼的过程中不小心落到一楼的遮阳棚，弹了一下，翻了两圈，再落到地面，由于能量被转换掉，所以落地以后没有受伤。

值得注意的是，不论是直接带隙的半导体(砷化镓)或间接带隙的半导体(硅)，电子吸收了外加能量以后由价带跳跃到导带的情形是相同的，因此这两种半导体都可以用来制作「影像传感器(Sensor)」，例如：数码相机所使用的CCD或CMOS影像传感器，都是利用硅材料来做为「光侦测器(PD：Photo Detector)」。

5.5最简单的器件结构，最难理解的半导体原理：二极管介绍

前面已经介绍了P型与N型的半导体，利用P型与N性半导体特性，我们可以用它们组合成不同的器件，今天先介绍比较简单的PN二极管，以后在半导体IC介绍的时候会跟大家介绍比较复杂的器件。

介绍二极管的原理，大家可能要有量子力学的几率概念，这个概念就是上帝是会执掷骰子的，虽然爱因斯坦不承认，但是这却是现代科技的奠基石，量子力学对电子的描述是：它有捉摸不定的行踪，它的不确定性只能用几率来描述它出现在哪里的概率。

如图八（a）所示，我们前面章节介绍过的能带有价带与导带，价带几乎填满了电子，导带几乎没有电子，但是还是有机会电子会出现在导带，因此科学家费米想用一条基准线来定义电子是否出现的概率，在这一条线，电子出现与不出现的几率是50%，就像我们跟别人赌博，只要没有人作弊，游戏规则大家均等与公平，则每个人赢与输的几率就是二分之一，同理电子出现几率二分之一的这条线，我们为了纪念意大利科学家费米先生，所以叫费米能级（Fermi level）。

如图八（b）所示，纯半导体的费米能级会在禁带的中间线，当然赌场肯定不想这样玩，如果赌场与赌客输赢几率都是二分之一，那赌场都可以关门了，所以赌场一般都会做一点手脚，就是让自己赢的几率大于50%，赌客赢的几率小于50%，半导体也是如此，我们要如何在禁带中间让电子出现的几率更大，就是前面我们提到的掺杂（doping），掺杂可以让半导体具有较佳的导电性，同样的赌场可以透过分析与计算模拟让庄家赢的几率大于二分之一，闲家赢的几率小于二分之一，但是还是会让赌客在不知不觉中，觉得这是一个公平的游戏，这样的手法是不是跟掺杂很像，n型半导体费米能级靠近导带边，过高掺杂会进入导带。 p型半导体费米能级靠近价带边，过高掺杂会进入价带。

如图八（c）所示，对赌场来说，他们希望庄家像N型半导体，闲家像P型半导体，如图八（d）所示。因为N型半导体的输赢线（N型的费米能级）在纯半导体的费米能级的上方，所以在禁带中间线，电子出现几率肯定大于50%，P型半导体的输赢线（P型的费米能级）在纯半导体费米能级的下方，所以在禁带中心线，电子出现几率肯定小于50%，控制掺杂浓度，就像赌场的赌局设计，有些赔率高，有些赔率低，费米能级的位置会因此改变，但是不论如何改变，赌场赢钱的几率一定会大于50%，如此赌场稳赚不赔才可以建造美轮美奂的宫殿酒店，赌客永远都是十赌九输，搏的就是那个一赢，但是乐此不疲。

图八 P型与N型半导体的特性与费米能级示意图

有了P型N型半导体与费米能级的概念，最后我们介绍二极管。当P型与N型半导体接合之后，由于费米能级是一个基准线，所以费米能级不变，由于内建电场的建立，这时候的能带图就会变成一个斜坡接合面的一个PN能带图。

如下图九（a）所示，P型就像水库的水坝，N型像水库的蓄水低地，电子流就像水流，电子要向上越过PN结能障(能障的大小就是内建电场的能障eV0)才能导通这个二极管，同样的道理空穴也是要向下越过能障才能导通（对能障来说，电子与空穴是相反的，你可以将空穴想象成水里的气泡），所以当这个二极管的P型接正极电源，N型接负极电源时，电池提供源源不绝的电子与空穴给N型与P型半导体，就像水坝的水位上升，电子流把它想成水流，水流越来越大，水位接近水坝高度，于是我们可以感觉到好像整个P型半导体能带与P型侧的费米能级会向下拉，N型半导体能带与费米能级会向上拉，成为图九（b）所示的正向偏压PN能带图，就像水坝泄洪一样，此时电子只要越过变小的能障，此时的能障会变小成为e(V0-Vf),Vf大于V0就可以导通，所以一般二极管通较低的正向电压就可以导通。

同理，当这个二极管P型接负极电源，N型接正极电源时，就像枯水期的水坝一样，因为水都被抽光或干涸了，所以感觉整个P型半导体的能带与费米能级会向上拉，N型半导体会向下拉，成为图九（c）所示的反向偏压PN能带图，就像枯水期的水坝，水不可能越过水坝，此时电子几乎无法越过能障，此时的能障电压变成e(V0 Vr),要越过能障需要很高的反向电压让二极管崩溃,就像用外力破坏水坝一样，所以我们常常用很高的反向电压与很强的静电（ESD Electro-Static discharge）去测试二极管的坚实程度，如果漏电了，就像水坝漏水一样，这个二极管是不合格的，后续用在模组上会有很大的隐患，所以反向电压测试是否有漏电流是很多厂家衡量器件好坏的最重要标准。

因此，二极管具有单向导通的功能，最早的应用像是稳压二极管，用于数字电路的开关二极管，用于调谐的变容二极管，随着发光材料的开发，二极管目前最大的应用就是光电二极管，最普遍大家最耳熟能详的就是发光二极管。

图九 二极管PN接合与正向电压反向电压示意图

结语：学习知识的目的是什么？

这篇文章几乎使用了我所有的想象力来描述半导体物理，没有洪荒之力那么夸张，但是也是很用力过猛了，因为半导体的概念很抽象，又牵扯到量子力学的观念，所以很难教，当然也很难学，不过就像半导体的能障一样，越过了这个单元，你的概念就会很清晰，有了清晰的半导体概念，对于后面的三极管，MOS-FET与集成电路IC的原理都可以驾轻就熟。

我在日本读书的时候，教授对我们毫无保留的传授他所知道的全部，深怕我们不求甚解，会用最有耐心的方法启发我们。在日本社会，知识传承几乎无所不在，最后给大家看一个图片，下面的图是一本日本人写的书，“世界第一简单半导体”，他们的知识分子为了传承毕生所学，无所不用其极的使用各种方法来写一本通俗易懂的高大上半导体书籍，这是一种什么样的精神来驱动这些知识分子呢？这真的是给我很大的震撼。回到内地发展，我也发现在中国大陆，无知是造成贫穷的最大因素，所以我认为知识不是用来考试的，不是用来牟取利益的，知识是用来服务人群的，是用来促进社会进步的，更是用来传承给下一代最宝贵的礼物。

与大家共勉！

（日本书的作者深怕你看不懂，所以书写的方法几乎无所不用其极，连年轻人喜爱的漫画都用上了，目的只有一个：传承知识）

*注：本文由行家说APP与作家专栏作者葉国光先生联合出品。谢绝任何未经许可的转载。授权联系hangjia199

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第五章 世界第一简单的半导体原理

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