之前的課程我們曾學到 金屬原子因原子核對價電子的束縛力較弱 所以價電子可形成自由電子在金屬晶格內移動 相當於金屬陽離子沉浸在由自由電子組成的「電子海」中 這也是金屬具有導電性的原因 若從軌域的觀點來看 金屬晶體具有電子的軌域與能容納電子的空軌域之間 也就是價帶與傳導帶之間是連續的 幾乎沒有能量的間隙 所以 電子很容易由價帶躍遷至傳導帶 使金屬具有導電性 如果是絕緣體的話 則因為價帶與傳導帶之間的能隙過大 導致電子很難由價帶躍遷至傳導帶 這也導致絕緣體不易導電 那半導體具有什麼特性呢？ 週期表中某些特定元素 例如：硼、矽、鍺、砷、銻、碲……等等 它們價帶與傳導帶間的能隙大小 介於導體和絕緣體之間 大約是0.6~2.0 eV 因此藉由加熱或照光的方式 即可讓價帶的電子躍遷到傳導帶 而使其具有良好的導電性 故稱為半導體 倘若我們取一個矽晶圓 將其連接在電路系統中 並利用瓦斯噴槍將矽晶圓加熱至紅熱狀態 我們會發現原本沒有發光的燈泡 會隨著矽晶圓的受熱而慢慢的發光 也就是說電路會因為矽晶圓的溫度提高 而變成通路 在設計半導體時 科學家會利用摻雜（doping）的方式來改變矽晶圓的特性 例如在矽晶圓中摻雜IIIA族的硼或鋁 可使原本的矽晶體產生電洞 成為p型半導體 除此之外 我們也可以摻雜VA族的砷或磷 使其成為具有多餘電子之n型半導體 科學家們利用調控矽晶體中摻雜原子的種類、數量 製作出各種不同性質的半導體材料 如果我們將p型半導體與n型半導體連接 形成所謂的「二極體」 則在二極體的連接面上 會因為擴散而使p型半導體的電洞與n型半導體的多餘電子互相結合 形成「空乏區」 當我們施加順向電壓到二極體 也就是正極接到p型半導體 負極接到n型半導體時 空乏區縮小 二極體即可導通 反之如果施加逆向電壓 則空乏區擴大 二極體不導電 這就是二極體的「整流作用」 利用整流作用 我們可將交流電轉換為直流電 發光二極體 縮寫為LED 是一種將電能轉化為光能的半導體電子元件 LED與傳統白熾燈泡（或稱為鎢絲燈）的發光原理不同 白熾燈泡是利用通電時 藉由電流的熱效應 將鎢絲加熱到白熾而發光 後來發展出新的發光技術 也就是我們現在廣泛使用的LED 但早期的LED只能夠發出低亮度的紅光 大多數用於指示燈上 隨著技術的演進 現今的LED已經可以透過紅、綠、藍色光 也就是RGB色光的調配 而有多種不同顏色、不同亮度的變化 甚至連眼睛看不到的光 例如紫外光與紅外光 都可以被製造出來唷 LED的發光原理是什麼呢？ LED 是由p型和n型半導體組成的晶片 兩者之間有一個pn接面 由於二極體只能夠往一個方向導電 因此當我們在二極體兩端施加順向偏壓時 電子與電洞會在pn接面結合 過程中產生大量能量 並以光的形式釋放出來 這種把電能直接轉換為光能的過程 就是電致發光效應 這也是LED發光的秘密 透過設計不同特性的晶片 LED可以發出紅、橙、黃、綠、藍、紫等不同顏色的光 「發光二極體」也因此而得名 另外 也因為LED只需要小小的電壓就能發光 所以相較於其他的照明工具來說 LED更能節省能源 如果我們進一步將很多的二極體、三極體或電晶體等電子元件 集合在一個小小的晶片上 就成為大家耳熟能詳的「積體電路」 也可以使用它的縮寫「IC」來進行稱呼 我們的日常生活幾乎離不開晶片 許多科技產品也在晶片技術的發展中不斷被創造或是更新 小小不起眼的晶片早已改變了人們的生活型態 以今日的製造技術來說 每平方毫米的面積裡 可容納超過一百萬個電晶體 其製成線寬更是僅僅只有數個奈米的寬度 「數個奈米」是什麼概念呢？ 病毒的大小約為100奈米 意思就是說 線寬大約只有十分之一個病毒的大小 一個電晶體的尺寸 也與病毒大小相當 相較於一般的電路元件來說 積體電路具有低成本和高效能的優勢 低成本指的是積體電路中的元件是透過特別技術印刷出來 並不是將電晶體一個一個單獨製作 高效能則是由於元件微小化 彼此距離非常的靠近 因此能減少電路上因為電阻所產生的能量耗損 在半導體製造過程中 晶圓廠扮演著重要的角色 其中一項關鍵技術就是微影製程技術 微影製程一詞來源於希臘語 字面上的意思就是在石頭上寫字或畫畫 微影製程通常被認為是IC製造中最關鍵的步驟 因為它決定了元件的線寬與大小 大家常在新聞中聽到三奈米廠或五奈米廠 就是指微影製程的線寬 可是微影製程到底是什麼呢？ 微影製程是指在矽晶圓上製造微小電路的過程 它利用紫外線將光罩上的幾何圖案 透過光阻轉移到基板上的化學光阻劑 並且經過一系列化學處理過程 將圖案蝕刻到材料中 接著再透過薄膜沉積、圖案形成 和半導體摻雜等過程製造出微晶片 在複雜的微晶片電路中 可能需要超過50次以上的微影製程 才能製作出密密麻麻的電子電路 這些晶片可以用來製作手機 電腦等電子產品中核心處理器的部分 使人們的生活更加便利 下列關於半導體材料的相關敘述 哪些正確？ 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 導體的價帶與傳導帶之間是連續的 幾乎沒有能隙 因此電子很容易由價帶移動至傳導帶 使金屬物體非常容易導電 絕緣體的能隙過大 導致電子很難由價帶躍遷至傳導帶 故絕緣體不易導電 半導體的能隙大小介於導體和絕緣體之間 可藉由加熱或照光的方式 使價帶電子躍遷到傳導帶而具有導電性 p型半導體是指原本的矽晶體中 產生缺少電子的空位 形成電洞 n型半導體則是與矽晶體相比 具有多餘的電子 將p型半導體與n型半導體連接在一起 就會形成所謂的「二極體」 當我們施加順向電壓到二極體 二極體即可導電 微影製程技術是利用紫外線 將光罩上的幾何圖案透過光阻轉移到基板上的化學光阻劑 之後再經過一系列處理過程 將圖案蝕刻到材料中 同學們 這一個單元 你是否都學會了呢？ 歡迎在影片下方留言區告訴我們你的心得 我們下次見