第十一单元电子材料

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1、第十一單元電子材料我國IC製造業的實力，已隨著晶圓代工業者對外努力的拓展國際版圖，以及動態隨機記憶體(DynamicRandomMemory，DRAM)業者積極地與國際領導廠商進行策略聯盟下，在走向成為全球積體電路(IntegratedCircuit，IC)產業製造中心的路上，已具備了十足的架式。我們無論是就國內八吋晶圓廠產能的快速增加，或是對於十二吋晶圓廠的積極籌設來看，台灣已是全球IC晶圓廠密度最高的地區，而晶圓廠又是IC生產製造所不可欠缺的孕育基地所在，若再考慮台灣擁有全球最專業的專業分工體系時，台灣成為全球IC生產基地已有主觀的優勢存在。若要瞭解IC產業的內容

2、，則從其材料及製造進入其領域，才能更詳細的切入其深奥且有趣的世界。然而，從一位機械背景的學生，要瞭解IC產業其實並不難，本單就從其最基本的半導體材料，深入淺出的介紹之。所謂半導體(semiconductor)是一種特殊的材質，它既不是導體，也不是絕緣體，但卻能夠在適當的條件下具有導電或絕緣的性質，因為原子的結構中由於電子的排列方式不同，使得各種元素問擁有不同的導電性質。原子的最外層電子軌道稱為價軌道(valenceorbit)，位在最外層(價軌道)的電子則稱為價電子(valenceelectron)，而價電子的數目是影響原子導電性質的主要因素。12導體(價電子少於4個

3、)如金、銀、銅等元素，都只有-個價電子，這些價電子容易由原子中脫離而導電，所以是良導體;而絕緣體(價電子多於4個)則是因為原子的價電子處於穩定狀態，不易由原子中移走，所以不易導電。而半導體則是一個四價元素，有4個價電子，其導電性質介於導體與絕緣體之間，所以稱為半導體。目前常用的半導體材料有矽(Si)與銷(Ge)兩種元素，但以矽元素所製成的半導體元件占絕大多數。1、本質半導體(intrinsicsemiconductors)本質半導體是指以純矽晶體或純鍺晶體製成的半導體，在這種半導體中不合其他雜質，只由單一元素結晶組成。以矽晶體為例，在單一的矽原子中，包合有14個帶正電

4、的質子與14個帶負電的電子，如(圖一)所示。圖中顯示原子的第一層軌道有2個電子，第二層有8個電子，其餘的4個電子分佈在最外層軌道，所以矽原子有4個價電子，是一個四價元素。當許多矽原子組成一個規則形態的固體時，便形成了矽晶體(siliconcrystal)，矽晶體的形成是利用矽原子間的共價鍵(covalentbond)來結合，即結合後的矽原子，其價電子被束縛在共價鍵中，每一個價電子不再只屬於某個單一原子，而是成為相鄰的原子間所共同擁有，所以每一個矽原子的最外層彷彿有8個價電子，形成化學性穩定的狀態，如(圖二)所示。因為矽與鍺內部的能隙(Energy12Gap)很小，所以

5、一部份電子擁有足夠的熱能可被激發進入傳導帶內。被激發的電子在價電帶內遺留下來的空能階稱為電洞(holes)。而何謂能隙呢？在單一的原子中，電子只被允許存在於某些特定的軌道上，這些軌道也稱為電子的能階(energylevel)。當許多的原子結合成固體時，原來單一原子中可存在電子的能階(軌道)，將會受到鄰近原子的電荷分佈影響，而展開成為有一範圍的能帶(energyband)。(圖三)所示為絕緣體、半導體、導體的能帶圖示，其中價電帶(valenceband)為價電子存在區域;傳導帶(conductionband)表示其中的電子可自由移動來傳導電流;而價電帶與傳導帶間的能量間

6、隔則稱為能隙(energygap)。能隙愈大表示需要愈大的能量，才能使價電子移動至傳導帶，所以能隙較小的物質較容易導電。能隙的單位通常以電子伏特(eV)表示，leV=1.6x10-19焦耳。當溫度升高時，由於晶體結構受到環境熱能的影響，某些共價鍵可能因振動劇烈而受到破壞，造成價電子脫離共價鍵成為自由電子(freeelectron)，如(圖四)所示。在價電子離開共價鍵後，會在原價電子處留下一個空缺，此一空缺容易吸引電子來填補(此空缺就如同正電荷般能吸引鄰近的電子)，我們稱這樣帶有正電荷性質的空缺為電洞(hole)。當有一個電壓作用在該材料上時，傳導帶內的電子將朝正極的方

7、向加速前進，而電洞則朝負極的方向加速前進。如此，電流就藉著電子與電洞的運動來傳導，此時電洞的作用就如同帶正電的電子。具有這種行為的材料稱為本質半導體(intrinsicsemiconductors)。12圖一矽原子的結構圖二矽晶體的共價鍵結構12圖三絕緣體、半導體及導體的能帶圖四當一能量作用在半導上時，電子移動通過傳導帶，而電洞則朝反方向移動通過價電帶122、異質半導體(extrinsicsemiconductor)精確地控制本質半導體的行為相當困難，因為只要溫度略為改變本質半導體的導電度就有顯著的變化。然而，經由在某些材料中加入少量的雜質,我們即