半導體

半導體

是指一種導電性可受控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料。

三種導電性不同的材料比較，金屬的價電帶與導電帶之間沒有距離，因此電子（紅色實心圓圈）可以自由移動。絕緣體的能隙寬度最大，電子難以從價電帶躍遷至導電帶。半導體的能隙在兩者之間，電子較容易躍遷至導電帶中。

半導體導電原理

半導體通過電子傳導或電洞傳導的方式傳輸電流。

電子傳導的方式與銅線中電流的流動類似，即在電場作用下高度電離的原子將多餘的電子向著負離子化程度比較低的方向傳遞。

電洞導電則是指在正離子化的材料中，原子核外由於電子缺失形成的「電洞」，在電場作用下，電洞被少數的電子補入而造成電洞移動所形成的電流（一般稱為正電流）。

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電子與電洞的移動 

• 漂移運動:

  兩種半導體在外加電場的情況下，會作定向運動。這種運動成為電子與電洞（統稱「載子」）的「漂移運動」，並產生「漂移電流」。根據靜電學，電子將作與外加電場相反方向的運動，並產生電流（根據傳統定義，電流的方向與電子運動方向相反，即和外加電場方向相同）；而電洞的運動方向與外加電場相同，由於其可被看作是「正電荷」，將產生與電場方向相同的電流。

• 擴散運動:                                                                                                                           由於某些外部條件而使半導體內部的載子存在濃度梯度的時候，將產生擴散運動，即載子由濃度高的位置向濃度低的位置運動。    

半導體

• 單純由矽構成的半導體稱為本質半導體(intrinsic semiconductor)，但其導電能力並不佳。

• 矽原子中加入少量的他族原子，可提高半導體的導電性，稱為雜質半導體。

• 利用 n 型與 p 型半導體，可進一步製造出各式各樣的電子元件，如二極體(diode) 與電晶體（transistor，或稱為三極體）。

• 半導體導電性很容易控制的特性，就是其具有高附加價值的原因所在。

雜質半導體

材料中載子（carrier）的數量對半導體的導電特性極為重要。這可以通過在半導體中有選擇的加入其他「雜質」（IIIA、VA族元素）來控制。

如果我們在純矽中摻雜（doping）少許的砷或磷（最外層有5個電子），就會多出1個自由電子，這樣就形成N型半導體。

如果我們在純矽中摻入少許的硼（最外層有3個電子），就反而少了1個電子，而形成一個電洞（hole），這樣就形成P型半導體（少了1個帶負電荷的原子，可視為多了1個正電荷）。

半導體依原料分類

• 元素半導體材料：以單一元素組成的半導體。
• 化合物半導體材料：由兩種或兩種以上無機物化合成的半導體。
  • 三五半導體：由Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb組成
  • 二六半導體：Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物
  • 四六半導體：SiC和Ge-Si

半導體特性

1. 半導體的電阻率隨溫度上升而明顯下降，呈負溫度係數的特性，半導體的導電能力隨溫度的增高而顯著增強，有些半導體對溫度的反映特別的靈敏，通常利用這種半導體做成熱敏元件。
2. 半導體的電阻率與所含微量雜質的濃度有很大關係．如果在純凈的半導體中摻入微量的其他元素(通常稱作摻雜)，半導體的導電能力會隨著摻雜濃度的變化而發生顯著的變化。
3. 半導體的電阻率隨光照的不同而改變，利用半導體的這種特性，我們可以做成各種光敏元件。

為何半導體材料要選擇矽?

•半導體工業約在1950年開始發展,以鍺材料為主, 但1960年代後矽就取代了鍺的地位

• 矽(Si)可從地殼中最豐富的元素(SiO2)純化提煉

• 熱製程中容易生成SiO2, 為一強且穩定的介電層

• 矽的氧化物不溶於水

• 矽擁有較大的能隙, 能承受較高溫度及較大雜質摻雜範圍

• 矽的崩潰電壓比較高

晶圓(Wafer)

是指矽半導體積體電路製作所用的矽晶片，由於其形狀為圓形，故稱為晶圓，是最常用的半導體材料。

晶圓越大，同一圓片上可生產的積體電路（integrated circuit, IC）就越多，可降低成本，但對材料技術和生產技術的要求更高。

半導體的應用

• 當今人類生活中所有電子產品，幾乎都是用半導體的電子元件所製成。

• 一般半導體產品包括積體電路、分離式元件和光電元件等三大類。

• 利用半導體製程技術，把眾多的半導體元件同時製作出來，並完成元件間的連接，成為所謂的積體電路（integrated circuit，簡稱IC）。積體電路占整體半導體產品的比例就超過八成。例如電腦主機板上的中央處理器（CPU）、記憶體(RAM)、顯示卡、網路卡等IC 晶片，汽車行車電腦晶片，冷氣機、洗衣機內的微電腦控制晶片等。

臺灣半導體產業

國內IC 產業發展與國外最大不同點在於以IC 設計、IC 製造及IC 封裝、測試為主體的專業分工之產業結構，形成異於其他IC先進國家的特色。

• 專業分工：
  指一個IC產品，從設計、製造到封裝、測試，分別由不同的廠商負責完成。

• 整合元件製造商 (簡稱為IDM)：
  從設計、製造到封裝、測試，這些流程皆可一手包辦。

半導體產業汙染來源

1. 廢水 : 主要為超純水清洗晶片、去光阻及蝕刻等程序所排出之廢水
2. 廢氣 :                                                                                                                                
    (1)氧化擴散及化學蒸著沉積製程中所使用具有毒性、可燃性之氣體以及反應後所生          成之氣體。                                                                                                                        
   (2)蝕刻及清洗製程中所產生之酸鹼氣體。                                                                      
   (3)黃光室製程中所產生之有機溶劑氣體。