<!-- ###### tags: 二極體 --> # 半導體材料科學 ## 本質半導體 ```flow st=>start: 本質半導體 op=>operation: P型、N型雜質半導體 op2=>operation: 二極體 e=>end: 二極體直交流電路 st->op->op2->e ``` - ### 意義:半導體材料,稱為本質半導體。 - 純矽$Si$、純鍺$Ge$ Si和Ge原子均為四價,以共價鍵結合。 自己的四個價電子加上共用的四個價電子,總價電子數為八個, 形成八隅體結晶,如惰性元素般穩定。 - ### 溫度效應 - 極低溫下的本質半導體 環境溫度0ºK(273ºC),無熱能輸入,內部所有價電子均無法掙脫共價鍵,因此無載子(自由電子、電洞)可供導電,故為絕緣體。 所以在極低溫下外加電壓(非崩潰電壓)於本質半導體,是無法產生電流的。 ![](https://i.imgur.com/CGy8YPG.jpg =200x) - 常溫下的本質半導體 環境溫度0ºK以上,熱能輸入,微量的價電子吸收熱能 > 能隙, 脫離原子的軌道,成為帶負電($-e$)的載子“自由電子”,濃度$n$(熱生電子)。 價電子游離後,稱共價鍵破裂,破壞了八隅體的穩定性, 故於軌道上留下了空位,而空位有捕捉$e^-$補足空位(復合)的傾向。 藉由價電子補空位的過程,因而產生了空位可以移動導電的現象, 故假設為帶正電($+e$)的載子“電洞”,濃度$p$(熱生電洞)。 ![](https://i.imgur.com/BVWLb6N.jpg) - 室溫下(300ºK, 27ºC) 純Si的$E_G = 1.12eV$,純Ge的$E_G = 0.67eV$。 $Question:$為什麼純Si的$E_G$ $>$ 純Ge的$E_G$呢? $\because$ 純Ge的電子軌道較多 $\therefore$ 吸引力較小 ![](https://i.imgur.com/DSwbeij.png =450x) 電洞的移動,實際上是價電子反方向的去遞補空位(價電子補位的過程)。 溫度 $\uparrow$ 價帶 $\downarrow$ 能隙 $\downarrow$ $n\uparrow$ $p\uparrow$ 即熱生載子濃度 $\uparrow$ 內阻 $\downarrow$ 且$e^-, o^+$是成雙成對出現的 - ### 本質半導體其他特性 - 載子 - $n_{熱生自由電子濃度} = p_{熱生電洞濃度} = n_i(N_i)_{本質濃度}$ - 電性 - $\because$ 熱生微量的自由電子與電洞成對出現 $\therefore$ 電性抵消成電中性 - $Si、Ge$比較 - 特性差異 - 能隙:$Ge < Si$ - 熱生載子濃度$(n、p)$:$Ge > Si$ - 載子遷移率$(\mu_n、\mu_p)$:$Ge > Si$ $(\approx 兩倍)$ - 導電性:$Ge > Si$ - $Si$半導體的缺點 - $Si$比$Ge$容易取得 - $Si$的製成穩定,易製成$SiO_2$(優良的氧化絕緣層) - $Si$的漏電流小、耐壓高、熱穩定性佳、工作溫度範圍寬 - ### 比較導體、半導體、絕緣體能隙寬窄 - 導體:無能隙,$0eV$,傳導帶與價帶重疊,沒有禁帶。 故導體中擁有大量的自由電子,導電性良好。 - 半導體:能隙小,$\approx1eV$,室溫下擁有微量自由電子,導電性差。 - 絕緣體:能隙大,$>9eV$,室溫下幾乎沒有自由電子,無法導電。 ![](https://i.imgur.com/ixwTP3F.png =500x) - ### 依據八隅體學說判別元素導電性 - 價電子數為$0$或$8$個,原子呈現穩定狀態,稱之惰性元素。 - 價電子數為非$0$或非$8$個,原子呈現不穩定狀態,有尋求穩定的傾向(釋放或捕捉)。 - 價電子數為$1\sim 3$個,傾向放失價電子,具有大量自由電子,為導體。 - 為了穩定,釋放電子,則外部自由電子多。 - 價電子數為$4$個,可放失亦可捉取,具有少量自由電子,為半導體。 - 獲得或釋放四個價電子,則外部自由電子少。 - 價電子數為$5\sim 7$個,傾向捉取自由電子,幾乎沒有自由電子,為絕緣體。 - 為了穩定,抓自由電子,則外部自由電子幾乎沒有。
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