半導體材料

半導體有4個價電子，導電性介於絕緣體及導體之間。例如鍺 (Ge)、矽(Si)等。

最常用的半導體材料是矽，原子序為14，所以矽原子有14個質子與14個電子。

矽原子之電子軌道的分佈：(圖1)

第一層軌道：2個電子

第二層軌道：8個電子

第三層軌道：4個電子(價電子)

(圖1) 矽原子

核心包括原子核的14個質子與前兩個軌道的10個電子，故其總電荷為+4。最外層價軌道上有4個價電子，這告訴我們矽是半導體。

矽晶體

每一個矽原子利用最外層的4個價電子，和週圍另外4個矽原子，以共價鍵結合。而共價鍵維繫著矽晶體結合在一起，達到穩定狀態。(圖2)

(圖2) 共價鍵

在溫度T = 絕對零度時，無熱量引起矽晶體中原子的振動，也無共價鍵斷裂，所有的價電子均位於共價鍵上，沒有自由電子產生，所以矽如同絕緣體。

當溫度上升時，外界提供熱能給矽晶體，價電子得到足夠的能量打破共價鍵，脫離核心的束縛而成為自由電子(Free Electrons)。只要一個價電子離開後，就會在原來共價鍵上留下一個空位，稱為電洞(Hole)，所以電洞可視為帶正電荷的載子，如圖3所示。靠近此電洞的電子就有機會能移動並填入該電洞，而在別的位置重新產生一個電洞。電洞的移動實際上是共價鍵上電子的移動，電洞的移動是與電子的移動方向相反。

(圖3) 溫度上升時產生電洞-電子對

在溫度T = 室溫時，由於產生的自由電子及電洞還是非常少，所以矽晶體猶如絕緣體。

對純半導體而言，有多少電洞就有多少的自由電子。

[例題1]

電洞的移動實際上是 (A)自由電子的移動 (B)價電子的移動 (C)離子的移動

Answer： (B)

[例題2]

若一純矽晶體內有一萬個自由電子，則應有多少個電洞？如果周圍溫度升高，則自由電子和電洞的數量有何變化？

Answer： 在純矽晶體內應有相同數量的自由電子和電洞，所以有一萬個自由電子，則必有一萬個電洞。

溫度升高，會有更多自由電子和電洞產生，但純矽晶體內自由電子和電洞的數量仍相同。

能隙能量，Eg (Bandgap energy)：為了打破共價鍵，一個價電子所需的最少能量。半導體的，絕緣體。