半导体及基本半导体物理

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1、半导体及基本半导体物理Semiconductoranditsphysicalprinciples(Correspondencewiththetextbook:Section2.5、2.6、2.7)11(壹)原子之一般模型与电子能阶○一个原子乃是由一个原子核加上一个或一个以上的电子所组成。l原子存在的型式是以原子核为中心，而电子在外围以高速环绕。l电子以高速环绕原子核必具有相当的能量(动能加位能)。---根据物理理论，若原子核外围的电子不只一个，则电子的能量最多只会两两相同，绝不会有三个或以上的电子有相同的

2、能量。---【包立不兼容原理】l电子绕行的轨道跟该电子的能量有关。---一般而言，电子绕原子核而行的轨道并不一定成圆形。另外，能量越大的电子，其绕行轨道跟原子核的距离也越大；换言之，其轨道的分布将越在外围。因此，我们通常称能量较大的电子为外围电子，而称能量较小的电子为内层电子。l电子以高速环绕原子核所须之向心力，由电子跟原子核内的质子之间的静电力来提供。这个静电力将使得电子在正常情况下，无法脱离原子核而自由行动。---这些在原子核外围环绕的电子如同被束缚在原子里，因此被称为『束缚电子』，以有别于其它可在原

3、子外面(或说原子与原子之间)自由移动之『自由电子』。---可以想象自由电子是轨道在无穷远的电子，因此其能量将大于束缚电子的能量。---可以说，束缚电子之所以被束缚而无法成为自由电子，是因为其能量不足；通常，吾人称这个不足之能量的大小为该束缚电子所受到的束缚能。---越外围的束缚电子其所受到的束缚能也越小，代表其越容易被激发而脱离原子核。l每一个绕行轨道所对应的电子能量必为某些特定值，这些特定值使得束缚电子之能量成阶段式的不连续分布，这些电子能量的阶段式分布即称为『电子能阶』。---根据包立不兼容原理，每个

4、能阶(或说每个绕行轨道)最多只会有两个电子。11---电子必会优先进驻低能量之轨道。因此，多电子的原子的内层轨道会先被填满。1111(贰)导体、非导体与半导体之区别及其物理解释○一般物质大体为非导体l对一般物质而言，其原子里头最外层电子的束缚能大约在几百分之一到几分之一个(电子伏特焦耳)之谱。要这些物质在外加电场之下导电，则其最外层电子必须从外加电场获得至少等于其束缚能的能量。l电子从外加电场取得之能量DE等于外加电场值乘以电子移动的距离S。---以气体为例，每mole气体(个分子)的体积为22.4公升，

5、每个气体分子的体积不到，每个气体原子的体积更小，大约不到。---在这个体积里，一个束缚电子所能移动的距离不到，也就是。---因此，要使得，必须。---上式所除的是一库伦的电荷量，因为我们所计算的是单一个电子的能量。l以一个数公分的物质而言，使其导电所须的电压将大于十万伏特，根本不切实际。---要使物质在合理电压之下导电，必须有不同的原子结构，譬如在结晶体里。○结晶体之原子结构l结晶体内部，大量的原子挤在一个小空间里，原子与原子之间的距离极小。l结果是，每个原子的外层电子跟它本身原子核的距离变得跟邻近原子核

6、的距离差不多，这使得外层电子同时受到多数个原子核的吸引，而成为多个原子的共有电子。l结晶体内部的束缚电子因此分成两类：1.内层电子--轨道距离个别原子核近，受本身原子核的吸引而绕行，束缚能大。112.外层电子--为结晶体全体原子所共有，不属特定原子核，又称为共享电子。l所有这些外层共享电子将视为共同绕行一个『共体原子核』。---这些共享电子的能量值将受到包立不兼容原理之限制。换言之，若这些电子有个，则它们将分别具有种不同的能量。※相反地，每个原子的内层电子轨道都是独立，其能阶也都分开布建，因此可能出现超过

7、两个内层束缚电子有相同能量。譬如说，总共有个原子，则同属第个内层的所有(到个)束缚电子可能都具有相同的能量。l这些不同的能量将分布在一个有限范围里(跟之间，右图)。---一般而言，大约是几分之一个到几个。l对一块寻常的晶体而言，其所含的共享电子至少在个以上。---换言之，在跟之间将被划分为至少以上的不同能阶，这些能阶之间的能量差因此将约略在之谱。---如此小的能量差，使得这些共享电子只要在极小的外加电场之下，就可获得足够的能量来变换轨道(指在共享轨层内变换)。---共享电子在共享轨层内藉转换轨道而移动，即

8、形成电流。l这些让共享电子在外加电场之下得以自由变换轨道的共享轨层，因此称为晶体的传导轨层。又因为这些轨层的能阶分布成带状，有时也称它们为传导带。---相对地，晶体的内层轨道则称为价电带，而其内层电子则称为价电子。l另一方面，只在共享轨层存有空的轨道之际，共享电子方有变换轨道的余地。---若晶体的共享轨层存有适量的空轨道跟共享电子，则此晶体为良导体。---但若共享轨层内的共享电子不多，或是空轨道很少，则导电不佳，是为半导体。1