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單一奈米材料產生多種雷射色彩

only-perception
・2012/06/05 ・1505字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

紅光、綠光以及藍光雷射已變得夠小、夠便宜,從藍光 DVD 播放器到造型筆(fancy pens)都能看見它們的蹤跡,但每種顏色都使用不一樣的半導體材料並透過精巧的結晶生長過程製作而成。有一種新的原型技術證明,這三種顏色可來自同一種材料。這為產品的製造開啟了大門,例如同一時間使用各種雷色色彩的高效能數位顯示器。

“今日為了創造出一款能呈現任意顏色 — 從白色到深淺(shades)不一的粉紅或水藍 — 的雷射顯示器,你得將這三種不同的材料系統湊在一起,構成三種截然不同的雷射,無論形狀或形態都不盡相同,” Arto Nurmikko 表示,Brown 大學工程教授,以及一篇在 Nature Nanotechnology 期刊上敘述此項創新之論文的資深作者。 “現在晉級到一種稱為「半導體量子點(semiconductor quantum dots)」的材料。”

在論文中所描述的原型雷射,其材料是奈米大小的半導體粒子,叫做膠態量子點(colloidal quantum dots) — 由鎘與硒合金構成內核,並塗佈一層鋅、鎘與硫合金的奈米結晶體,外加一種專用的有機分子膠。位於麻州萊辛頓,QD Vision 公司的化學家利用一種溼化學製程來合成這些奈米晶體,那允許他們藉由改變製造時間,精確調整奈米結晶體的大小。只需要改變大小就能夠產生不同顏色的雷射:4.2 奈米核心產生紅光、3.2 奈米發出綠光而 2.5 奈米閃耀著藍光。不同的大小能產生光譜上其他顏色。

覆層(cladding)與奈米晶體結構為進展之關鍵,超越了之前以膠態量子點來製造雷射的嘗試,第一作者 Cuong Dang 表示,他是一位資深研究助理,在 Nurmikko 的 Brown 小組中還擔任奈米光學實驗室經理。他表示,因其改良過的量子力學與電氣表現,這種塗佈過的角錐狀體(pyramids)與先前的嘗試相較,所需要的脈衝能量少了 10 倍,即製造雷射光所需要的電力少了 1000 倍。

量子指甲油(Quantum nail polish)

當 QDVision 的化學家依 Brown 設計的規格製造一批膠態量子點時,Dang 與 Nurmikko 則製造一瓶黏性液體,Nurmikko 說那有點像指甲油。為了製造雷射,Dang 在一片方形玻璃上 — 或其他各種形狀上 — 塗佈這種液體。當液體揮發後,留在玻璃上的是數個稠密堆積(packed)的固體 — 高度有序的奈米晶體層。將玻璃夾在二面特別準備的鏡子中,Dang 創造出最具挑戰性的雷射結構,稱為垂直共振腔面射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser)。這個 Brown 團隊是第一個以膠態量子點創造出可行的 VCSEL 的團隊。

奈米晶體的外部塗佈了鋅、鎘、硫合金,而分子膠則很重要,因為它減少發出雷射所需要的激發電子態,並防止奈米晶體產生某種串音效應(crosstalk),那會使晶體難以產生雷射光,Nurmikko 說。每批膠態量子點都會有幾個瑕疵品,但通常只要少數幾個就足以干擾光線擴大。

面臨到需要高激發電子態以及緻密堆積層中的破壞性串音(destructive crosstalk),先前的研究小組需要以大量電力激發(pump)他們的量子點,使它們通過更高的門檻以產生光擴大,這是任一種雷射的核心元素。然而,強行激發它們時會產生其他問題:一種過度激發的電子態,稱為激子(excitons)。當量子點中的激子過多時,原本要產生雷射光的能量反而會以熱的形態逸散 — 絕大部分是透過一種稱為 Auger process(歐傑過程)的現象。

奈米晶體的結構及其外部覆層減少了破壞性串音,並降低了使量子點發光所需要的能量。這減少激發量子點雷射所需要的能量,且顯然減少超過激子層次的可能性,在那種層次上,Auger process 會吸走能量。此外,這種新方法的結構還有一種優勢:量子點能迅速動作,在 Auger process 開始(雖然這種情況很罕見,但仍有可能發生)前將雷射光釋出。

“我們試圖證明,那創造的不只是光,而是雷射光,” Nurmikko 說。”原則上,我們目前有數種優勢:能以同樣的化學物質產生所有顏色、以非常廉價的方式製造雷射(相對來說)以及能將它們塗佈到各種表面(不管形狀為何)的能力。這使得各式各樣的裝置配置在未來都有可能出現。”

原始文獻:

Cuong Dang, Joonhee Lee, Craig Breen, Jonathan S. Steckel,
Seth Coe-Sullivan, Arto Nurmikko
Nature Nanotechnology 7, 335–339 (2012)
doi: 10.1038/nnano.2012.61

資料來源:PHYSORG:Single nanomaterial yields many laser colors[April 29, 2012 ]

轉載自0nly-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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將陽光轉變成電能的太陽能電池:太陽能電池不是電池——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/23 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

備受關注的再生能源

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。圖/pexels

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置,這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱,但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當,應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1-2 節提到的半導體光電效應(將光轉變成電能的現象)。不過,僅僅只透過照光,並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能,必須使用 pn 接面二極體(參考第 1 章 1-8 節)才行。

pn 接面二極體。圖/東販

圖 5-1(a) 為 pn 接面二極體,p 型半導體有許多電洞做為載子,n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後,接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散,電子則會往 p 型移動擴散,如圖 5-1(b) 所示。

移動擴散之後,接面附近的電子與電洞會彼此結合,使載子消滅,這個過程稱為複合。結果會得到圖 5-1(c) 般,沒有任何載子存在的區域,這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中,n 型半導體的帶負電電子不足,故會帶正電;另一方面,p 型半導體的帶正電電洞不足,故會帶負電(圖 5-1(d))。

因此,n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差,在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子,與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡,故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態,放著不管也不會發生任何事。也就是說,接面上有內建電位差之壁,不管是電子還是電洞,都無法穿過這道牆壁。

用光發電的機制。圖/東販

在這種狀態下,如果陽光照入空乏層,半導體就會在光能下產生新的電子與電洞,如圖 5-2 所示。此時,新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動,新的電洞則往 p 型半導體移動(圖 5-2(a))。於是,電子便會在外部電路產生推動電流的力,稱為電動勢。

在光照射半導體的同時,電動勢會一直持續發生,愈來愈多電子被擠入外部電路,於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體,與電洞結合(圖 5-2(b))。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

太陽能電池的結構。圖/東販

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5-3 所示。

為方便理解,前面的示意圖中,都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上,太陽能電池所產生的電流大小,與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好,就像圖 5-3 那樣呈薄型平板狀。

前面的說明提到,陽光可產生新的載子,這裡讓我們再進一步說明其原理。

pn 接面二極體的電子狀態。圖/東販

圖 5-4 為 Si 原子之電子組態的示意圖(亦可參考第 38 頁圖 1-11)。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合,故 Si 結晶的軌道填滿了電子,沒有空位(圖 5-4(a))。

若摻雜雜質磷(P)或砷(As)等 15 族(Ⅴ族)元素,形成 n 型半導體,便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道(圖 5-4(b)),與共價鍵無關,故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠,電子的能量愈高,所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量(參考第 57 頁,第 1 章的專欄)。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差,稱為能隙。

另一方面,如果是摻雜鎵(Ga)或銦(In)等 13 族(Ⅲ族)元素的 p 型半導體,會少 1 個電子,形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層,能量比自由電子還要低(圖 5-4(c))。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子,此處原子的電子組態皆如圖 5-4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時,原子的電子會獲得光能飛出,轉移到能量較高的外側軌道(圖 5-4(d))。此時的重點在於,電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話,電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定,波長愈短,光的能量愈高(參考第 217 頁,第 5 章專欄)。光能 E(單位為電子伏特eV)與波長 λ(單位為 nm)有以下關係。

E[eV]=1240/λ[nm]

抵達地表的陽光光譜。圖/東販

另一方面,抵達地表的陽光由許多種波長的光組成,各個波長的光強度如圖 5-5 所示。

由圖可以看出,可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52%的能量由可見光貢獻,紅外線約佔 42%,剩下的 5~6% 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光,將它們全部轉換成電能的話,轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的,無法吸收所有波長的光。

Si結晶的能隙為 1.12eV,對應光波長約為 1100nm,位於紅外線區域。也就是說,用 Si 結晶製造的太陽能電池,只能吸收波長小於 1100nm 的光,並將其轉換成電能。

不過,就像我們在圖 5-5 中看到的,就算只吸收波長比 1100nm 還短的光,也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明,可能會讓人覺得,如果半導體的能隙較小,應該有利於吸收波長較長的光才對。不過,並不只有能隙會影響到發電效率,圖 5-6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光,可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高,譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵(GaAs)。GaAs 的能隙為 1.42eV,轉換成光波長後為 870nm,可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高,所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

總之,GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點,只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此,研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好,以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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快閃記憶體的原理:我們常用的 USB 記憶體與記憶卡——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/22 ・3591字 ・閱讀時間約 7 分鐘

快閃記憶體常被用在個人電腦的 USB 記憶體、數位相機或智慧型手機的記憶卡等地方。即使切斷電源,記憶內容也不會消失,屬於非揮發性記憶體,且與 DRAM 的隨機存取類似,可讀取、擦除、寫入內容。不過,快閃記憶體的動作較慢,無法取代 DRAM。

快閃記憶體由東芝的舛岡富士雄於 1984 年發明。

DRAM 會透過記憶體電容器累積的電荷來記憶資訊。而快閃記憶體則會透過 MOSFET 內的懸浮閘極累積電荷。

快閃記憶體的結構。圖/東販

圖 4-11 為快閃記憶體的結構。MOSFET 的閘極與 Si 基板之間,有個不與任一方相連的懸浮閘極。

這個懸浮閘極就是快閃記憶體的特徵。電荷儲存在這裡時,因為周圍是由氧化膜(SiO2)構成的絕緣體,所以電荷(電子)不會跑到其他地方。即使切斷電源,記憶體內的資訊也不會消失,為非揮發性記憶體。

快閃記憶體的懸浮閘極帶有電荷時,儲存的是「0」;無電荷時,儲存的是「1」。懸浮閘極可透過累積或釋放電子,來記錄或保存資訊。

資訊的寫入與消除。圖/東販

圖 4-12(a) 為寫入「0」的情況。此時源極、汲極、基板皆為 0V,並對控制閘極施加正電壓。

於是,Si 基板內的電子就會穿過氧化膜,於懸浮閘極內蓄積。「電子可穿過絕緣體氧化膜」聽起來有些不可思議,不過氧化膜相當薄,厚度只有約數 nm,所以電子可以透過穿隧效應穿過氧化膜。

因此,Si 基板與懸浮閘極之間的氧化膜也叫做穿隧氧化膜。寫入資訊「1」時,懸浮閘極不會蓄積電子,所以什麼事都不會發生。

當我們想要消除資訊,也就是消除懸浮電極蓄積的電子時,需讓控制電極電壓為 0V,並對源極、汲極、基板施加正電壓,如圖 4-12(b) 所示。這麼一來,懸浮電極內蓄積的電子就會透過穿隧效應穿過氧化膜,移動到電壓較高的基板一側。於是,原本蓄積於懸浮電極的電荷就會消失。

讀取已記錄的資訊。圖/東販

另一方面,當我們想要讀取資訊時,只要在控制電極施加一定的正電壓,便可透過從源極流向汲極的電流,讀取儲存單元內的資訊(圖 4-13)。

若懸浮閘極內有蓄積電子(「0」的狀態),這些電子的負電會抵消掉控制閘極施加的正電壓,使電流難以通過底下的通道。

利用懸浮電荷量不同來控制記憶體

若懸浮閘極內沒有累積電子(「1」的狀態),閘極電壓就會直接影響到基板,與 MOSFET 的情況一樣,故下方會有電流通過。所以由電流的差異,就可以判斷儲存單元的資訊是「0」或「1」。

即使懸浮閘極內有蓄積電荷(圖 4-13 的「0」狀態),要是對控制閘極施加的電壓過高,源極與汲極之間還是會有電流通過。

也就是說,懸浮電荷量不同時,使電晶體開始產生電流的閾值電壓(Vth,參考第 89 頁)也不一樣。故我們可藉由懸浮電荷量的控制來記憶資訊。

快閃記憶體的 SLC 與 MLC。圖/東販

由前面的說明可以知道,像圖 4-14(a) 這樣的單一儲存單元,只能記錄 1 個位元,可能是「0」或「1」。

用閾值電壓判斷單元狀態

不過,如果閾值電壓可任意控制,就可以將懸浮閘極依儲存的電荷量,從滿電荷到無電荷分成 4 個等級,如圖 (b) 所示。4 個等級可分別對應「01」、「00」、「10」、「11」。這麼一來,1 個儲存單元就可以記錄 2 位元的資訊。

因為每種狀態所對應的閾值電壓都不一樣,Vth01>Vth00>Vth10>Vth11,所以讀取資訊時,可以由閾值電壓判斷該儲存單元處於何種狀態。

可分成 4 種狀態的單元稱為 MLC(Multi Level Cell)。另一方面,只有 2 種狀態的單元稱為 SLC(Single Level Cell)。

MLC 的 1 個儲存單元可以記錄 2 位元的資訊。如果將 Vth 分成更多區間,還可以記錄 3 位元、4 位元的資訊,進而提升容量。不過,MLC 懸浮閘極寫入電壓的控制技術相當困難,MOSFET 對干擾現象又特別敏感,所以要做成增加更多層相對困難。

快閃記憶體的缺點

另外,快閃記憶體在記錄、消除資訊時,需使用 10V 之類相對較高的電壓,電子才能突破穿隧氧化膜。因此,反覆讀寫會造成氧化膜劣化,最後使儲存單元無法保留電子。也就是說,快閃記憶體的壽命比其他記憶體還要短。寫入速度較慢也是一項缺點。

另一方面,快閃記憶體與 DRAM 不同,不使用電容器,所以1個晶片可搭載的儲存單元較多,較容易提升容量。

快閃記憶體的組成——NAND 型與 NOR 型

NAND 型與 NOR 型。圖/東販

快閃記憶體與 DRAM 一樣,都是由許多儲存單元排列成矩陣的樣子。快閃記憶體可依組成分成 NOR 型與 NAND 型 2 種(圖 4-15)。

NOR 型的快閃記憶體結構。圖/東販

圖 4-16 為 NOR 型的快閃記憶體結構。除了字元線與位元線之外,還有「源極線」存在,且源極線需通以電流。

NOR 型的快閃記憶體運作方式與 DRAM 相近,較好理解。以圖中圈出來的儲存單元為例,讀取單元內的數值時,會在對應的字元線施加讀取用電壓,然後透過位元線讀取資訊。另一方面,消除或寫入資訊時,會對位元線施加寫入用電壓,字元線也會施加寫入用電壓。

實際上的運作相當複雜,所以不像 DRAM 那樣只有 0 與 1 的 2 種數值,不過和 DRAM一樣是一個個單元讀取、寫入。換言之,可以隨機存取儲存單元。

NAND 型快閃記憶體的結構。圖/東販

另一方面,NAND 型快閃記憶體的結構則如圖 4-17 所示。

NAND 型的結構中,同一條字元線串聯起許多儲存單元,稱為 1「頁」(page),多條字元線有許多頁,稱為 1 個「區塊」(block)。

NAND 型的頗面圖。圖/東販

圖 4-18 中,1 條位元線可串聯起許多儲存單元。這種結構有個特徵,那就是同一條位元線上,各個 MOSFET 的源極與汲極皆串聯在同一列上。這一列MOSFET製作在半導體基板上時,剖面圖如下。

基板上,1 個電晶體的源極,與相鄰電晶體的汲極共用同一個n區域,所以表面不需設置電極。少了電極而多出來的空間,就可以用來提升電晶體的聚積密度。

不過這種結構下,1 條位元線的電流比 NOR 型的電流還要小,所以讀取速度比較慢。另外,因為 1 個儲存單元比較小,所以懸浮閘極保留的電荷也會比較少,使資料保存的可靠度較差。

NAND 型的擦除與寫入步驟

NAND 型快閃記憶體需以 1 個區塊(含有許多頁)為單位進行擦除,以 1 頁為單位進行寫入。

因此,要更改 1 頁的內容時,必須將含有這 1 頁之整個區塊的資訊暫時複製存放到外部的其他地方,然後刪去整個區塊的資料,然後再把區塊資料複製回來,同時把要更改的內容寫進去。

也就是說,即使只是要改寫 1 位元的內容,也必須將整個區塊的資料都刪除掉才行。因為必須一次刪除廣大範圍的資料,所以被取了「快閃」這個名字。

快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置。圖/pexels

不過,寫入資料時是一次寫入一整頁資料,所以寫入速度比 NOR 型還要快。

若比較 NOR 型與 NAND 型,會發現 NOR 型的優點是讀取較快,資料的可靠度較高。所以像是家電的微處理器、含有簡單程式的記憶體等裝置,對讀取的需求大於寫入,便會採用 NOR 型快閃記憶體。雖然容量不大,寫入較慢,但這些裝置幾乎不會進行寫入動作,所以高可靠度、較快的讀取速度對它們來說比較重要。

然而,快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置,常需改寫儲存單元內的資料。此時,NAND 型的高聚積化就會是很大的優點。因此 NAND 型目前才是快閃記憶體的主流。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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半導體以前的半導體:從礦石收音機到電晶體——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/21 ・3430字 ・閱讀時間約 7 分鐘

從礦石收音機到電晶體

直到 1947 年末,美國發明電晶體後,人類才正式開始使用半導體。不過在這之前,人類已經在使用類似半導體的東西,礦石檢波器就是其中的代表。

日本從 1925 年開始放送廣播,最早的收音機使用的是礦石檢波器。檢波器是一種可以接收電波,並從中提取出聲音與音樂等資訊訊號的元件。使用天然存在之礦石製作出來的檢波器,就叫做礦石檢波器。

礦石檢波器。圖/東販

圖 1-1 是礦石檢波器的原理。檢波器的構造是以金屬製的針碰觸著方鉛礦這種特殊礦石(圖 1-1(a))。

電流容易從金屬針流向礦石,卻很難從礦石流向金屬針(圖 1-1(b))。這種特殊的性質稱為整流性,也是半導體的特性。

對於擁有整流性的物質來說,容易讓電流通過的方向稱為順向,不容易讓電流通過的方向則稱為逆向

換言之,順向的電阻較低,逆向的電阻較高。之後會說明理由,總之有這種特性的元件,可用於製作檢波器。而順向與逆向的電阻比值愈大,可以製成愈靈敏的礦石檢波器。

礦石檢波器的原料是天然礦石,所以品質並不固定。針的接觸位置不同時,靈敏度也不一樣。所以製作礦石檢波器時,必須試著尋找能夠使針的敏感度達到最佳的特定位置。雖然品質不穩定,但製作簡便又便宜,也不用消耗電力,所以早期的收音機常會使用礦石檢波器。

當時的收音機少年也熱中於用礦石檢波器,自己動手製作礦石收音機。以前筆者(井上)年紀還小的時候,就曾自己製作礦石收音機。調整好礦石檢波器後,就可以清楚聽到廣播電台的聲音,讓人相當興奮。為了盡可能提高接收電波時的靈敏度,我當時也下了不少工夫。

這裡就來簡單說明用檢波器,從電波中提取出資訊訊號的原理吧。

訊號的接收與提取

接收無線電波訊號。圖/東販

如圖 1-2 所示,欲以無線電波傳送聲音、音樂等頻率較低的波時,需先將其轉變成頻率較高的波才行。

這個操作稱為調變。圖中,以調變器混合資訊訊號波(同圖①)與頻率較高的載波(同圖②)後,可以得到同圖③般的波,然後再發送這種無線電波(同圖④)。

檢波器接收到這種無線電波(同圖⑤)後,由於只會讓正向的調變波通過,故可得到同圖⑥般的波。這種波含有頻率較低的訊號波與頻率較高的載波,所以需再通過低通濾波器(只讓低頻率的波通過的濾波器),抽取出訊號波(同圖⑦)。

在真空管收音機盛行起來之後,人們便不再使用礦石檢波器。不過,在第二次世界大戰時,礦石檢波器又起死回生。使用礦石檢波器的雷達,在第二次世界大戰相當活躍。

雷達的原理。圖/東販

雷達如圖 1-3 所示,可透過指向性高的天線,朝特定對象發射高頻率電波脈衝,再接收由該對象反射回來的電波,並計算時間差,以測量出與該對象的距離與方向。之所以要使用高頻率電波,是因為頻率愈高,愈能正確識別出細小的物體。

這種雷達使用的無線電波叫做微波,頻率在 3GHz~10GHz 左右。若要用真空管檢波器,從頻率那麼高的無線電波中檢出訊號,必須使用體積很大、電容量很大的真空管才行,所以真空管不適用於高頻率的檢波器。

重出江湖的礦石檢波器

此時就輪到礦石檢波器重出江湖了。使用礦石檢波器時,針與礦石只要有一個接觸點就行了,電容量很小,在高頻率時也能正常運作。

如前所述,礦石檢波器的運作並不穩定,無法直接用於戰爭。於是歐美國家便紛紛投入研發性能更好、能夠取代礦石檢波器的新型檢波器,最後得到的就是矽晶(半導體)與鎢針的組合。

矽晶是由人工製成的均質結晶,所以不需要像使用礦石時那樣,用金屬針尋找、調整最佳的接觸位置。

而且,隨著雷達矽檢波器的研究持續發展,科學家們也發現了矽晶是相當典型的半導體。

為了提高結晶的純度,矽晶的精製技術也跟著進步,這和戰後電晶體的發明也有一定關聯。而且,因為製造出高性能的檢波器,所以人們也開始使用像是微波這類過去幾乎不用的高頻率無線電波。相關技術在戰後開放給民間使用,於是電視與微波通訊也開始使用這些無線電波。

雖然我並沒有要肯定戰爭行為,但戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。

戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。圖/pexels

半導體就是這種東西—溫度與雜質可提高電導率

接著就讓我們進一步說明,半導體究竟是什麼東西吧。

所有物質大致上可依導電性質分為兩類,分別是可導電的「導體」,以及不能導電的「絕緣體」。

導體的電阻較低,電流容易通過,譬如金、銀、銅等金屬皆屬於導體。另一方面,絕緣體的電阻較高,電流難以通過,橡膠、玻璃、瓷器皆屬於絕緣體。

我們可以用電阻率 ρ(rho:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電阻率的單位是〔Ω・m〕,電阻率愈大,電阻就愈大。

導體、半導體、絕緣體的分類。圖/東販

如圖 1-4 所示,雖然沒有明確的定義,不過導體指的通常是電阻率在 10-6Ω・m 以下的物質,絕緣體指的則是電阻率在 107Ω・m 以上的物質。

相對於電阻率,有時會用電導率 σ(sigma:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電導率為電阻率的倒數(σ=1∕ρ),單位為〔Ω-1・m-1〕。與電阻率相反,電導率愈大,電阻就愈小。

相對於此,半導體如名所示,性質介於導體與絕緣體之間;電阻率也介於導體及絕緣體之間,即 10-6〜107Ω・m。代表性的半導體如矽(Si)與鍺(Ge)。

半導體的特徵不僅在於電阻率的大小,更有趣的是,隨著溫度與微量雜質濃度的不同,半導體的電阻率數值也會有很大的變化。圖 1-5 為溫度對半導體電阻率的影響示意圖。圖中縱軸寫的是電導率 σ,但要注意的是,縱軸的 σ 值其實是對數尺度。

溫度對半導體電阻率的影響。圖/東販

由這個圖可以看出,一般而言,隨著溫度的上升,金屬的電導率會下降(電阻率上升);但半導體則相反,在 200℃ 以下的範圍內,溫度上升時,半導體的電導率會跟著上升(電阻率下降)。

1839 年,法拉第在硫化銀 Ag2S 上首次發現了這種隨著溫度的上升,電導率會跟著上升的奇妙現象。雖然他不知道為何會如此,不過,這確實是人類首次發現半導體性質的例子。

電流是電子的流動,所以電導率提升,就代表半導體內的電子數變多了。電子原本被半導體原子的+電荷束縛著,無法自由移動。不過當溫度上升,獲得熱能後,電子就能脫離原子的束縛自由移動了。

這種能自由移動的電子(自由電子)數目增加後,會變得較容易導電,電導率跟著上升。這就是半導體的一大特徵。

高純度的半導體結晶在室溫下熱能不足,幾乎不存在自由電子,所以可視為絕緣體。

不過,如果在半導體結晶內添加極微量的特定元素雜質(Ge 與 Si 以外的某些元素),便可大幅降低電流通過半導體的難度。這也是半導體的一大特徵(詳情將在 1-5 節中說明)。

半導體的自由電子,也可以透過光能觸發。

英國的史密斯於 1873 年時發現了這種現象。他用光照射擁有半導體性質的硒(Se)時,發現硒的電阻變小了(內光電效應)。

1907 年,英國的朗德對碳化矽(SiC)結晶施加電壓賦予能量時,發現結晶會發光。這種能讓光與電能互相變換的特性,也是半導體的特徵。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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