#科基百科 不是導體、也不是絕緣體的半導體,到底是什麼呢?
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半導體之所以叫半導體,是因為它的導電性介於導體和絕緣體之間,包含矽(Si)、鍺(Ge)等元素,或是砷化鎵(GaAs)、硫化鋅(ZnS)等化合物。
到底是什麼原因,讓半導體具有這樣的特性呢?
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不論是導體、半導體還是絕緣體,皆由許多原子整齊排列而成。上過國中理化的我們也知道,原子內含有許多的電子,而它們也是影響材料導不導電、怎麼導電的關鍵。
當原子們的外層電子合併彼此的能量,就會形成帶狀的「能帶區」,能量較低的稱作「價帶」(valence band)、能量比較高的則稱為「傳導帶」(conduction band)。
電子也和人類一樣,嚮往著穩定生活多美好、三年五年高普考(威~),會傾向往能量較低的價帶移動。因此價帶上總是充滿著電子,傳導帶反而 #查無電子 了。
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這樣的現象若是發生在導體身上,不用擔心!它們的價帶與傳導帶彼此重疊,電子想去哪都可以,導體也因此有著良好的導電性。
如果是在絕緣體身上,則會因為兩者距離遙遠,電子根本無法從價帶移動到傳導帶,也就沒有導電性了。
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那半導體呢?
半導體中的價帶、傳導帶彼此留有完美的距離 #像極了愛情,只要位在價帶的電子獲得足夠能量,就能跑到傳導帶上自由移動,而導電性也就跟著增加囉!
反之,若是能量不夠,電子就沒辦法跳到傳導帶上,此時就不具導電性!
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正確用法:半導體的導電性,介於有和沒有之間
錯誤用法:半導體就是全導體除以 2 啦
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參考資料:寫點科普《晶圓代工爭霸戰:半導體知識(前傳)》、科教館《半導體與發光原理》
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延伸閱讀:
半導體新製程: 奈米碳管 (CNTs)
https://pansci.asia/archives/18590
突破半導體材料限制新契機?二維材料自發磁異向性的新發現
https://pansci.asia/archives/flash/188422
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【凝態中心朱明文研究員與物理系郭光宇教授合力解開氧化物界面傳導電性之謎發表於《Nature Communications》】
2004年,日本研究團隊在LaAlO3和SrTiO3界面發現「將兩個氧化物絕緣體接起來,它的界面居然變成導體」的新穎物理現象,震撼凝態物理學界。更由於其與半導體界面傳導二維電子氣(two-dimensional electron gas)之相似性,開創了氧化物電晶體的可能。此導電性界面同時具備超導性(superconductivity)、鐵磁性(ferromagnetism)、和意想不到的絕緣鐵電性(ferroelectricity),這些形形色色的物理現象不僅彼此不相容,也同時是半導體界面物理學中不存在的自由度。LaAlO3和SrTiO3界面因而可說是學術與應用兼備的典範系統,三位主要發現者近年來更是屢獲國際物理學大獎。
然而,科學家對LaAlO3和SrTiO3界面系統的了解並非完全成熟。首先,界面導電性究竟從何而來?看似不相干乃至不相容的超導性、鐵磁性和鐵電性何以同時出現?其中又以界面導電性的起源最為關鍵,最有可能扮演揭開界面超導性、鐵磁性和鐵電性起源的鑰匙。解開LaAlO3和SrTiO3的界面導電性根源,於是成為眾多物理和材料科學家共同追逐的聖杯。這個12年來未解的難題在物理系暨凝態中心博士生-李培瑋-六年來的努力下進入嶄新的階段。
在凝態中心朱明文研究員和物理系郭光宇教授的指導下,李培瑋博士生利用掃描穿透式電子顯微鏡(scanning transmission electron microscopy)和電子損失能譜儀(electron energy-loss spectroscopy),以逐原子分析其化學、電子(electronic)、結構特性的方式,解開LaAlO3和SrTiO3的界面導電性源自於LaAlO3和SrTiO3介面應變(strain)誘發的鐵電性晶體自由度。分別存在於兩材料中的鐵電極化(polarization)以獨特的頭對頭方式指向對方並造成靜電排斥,系統因而產生傳導屏蔽(screening)電子氣來舒緩此排斥,LaAlO3和SrTiO3界面於是出現導電性和絕緣鐵電性共存之獨特現象。此突破性發現,更為界面超導與鐵磁共存提供一全新視角,供未來之理論與實驗工作探索。交大材料系朱英豪教授團隊提供高品質樣品與凝態中心陳正弦名譽教授提供寶貴的科學建議,亦是功不可沒。
過去12年來,LaAlO3和SrTiO3界面導電性起源一直處於由三位主要發現者詮釋的狀態,儘管他們的說法未獲普遍性認同。這是第一次有研究團隊可以突破此玻璃天花板,且是來自台灣的全本土團隊,實驗工作更是由李培瑋博士生獨力完成,難能可貴。李培瑋博士生剛開始接觸這個領域的頭三年,都處於碰撞摸索階段,將完整的數據整理完畢已經是博士班第四年快結束,接下來更用將近兩年的時間將這些數據背後的物理意義作透徹的分析,才得以揭開此一關鍵物理問題的謎底,其沈著穩健的特質在同儕中出類拔萃。
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