1乙電子學Basicelectronics2半導體及基本半導體物理SemiconductoranditsphysicalprinciplesCorrespondencewiththetextbook:Section2.5、2.6、2.73壹原子之一般模型與電子能階○一個原子乃是由一個原子核加上一個或一個以上的電子所組成。原子存在的型式是以原子核為中心而電子在外圍以高速環繞。電子以高速環繞原子核必具有相當的能量動能加位能。---根據物理理論若原子核外圍的電子不只一個則電子的能量最多只會兩兩相同絕不會有三個或以上的電子有相同的能量。---【包立不相容原理】電子繞行的軌道跟該電子的能量有關。---一般而言電子繞原子核而行的軌道並不一定成圓形。另外能量越大的電子其繞行軌道跟原子核的距離也越大換言之其軌道的分布將越在外圍。因此我們通常稱能量較大的電子為外圍電子而稱能量較小的電子為內層電子。電子以高速環繞原子核所須之向心力由電子跟原子核內的質子之間的靜電力來提供。這個靜電力將使得電子在正常情況下無法脫離原子核而自由行動。---這些在原子核外圍環繞的電子如同被束縛在原子裡因此被稱為『束縛電子』以有別於其他可在原子外面或說原子與原子之間自由移動之『自由電子』。---可以想像自由電子是軌道在無窮遠的電子因此其能量將大於束縛電子的能量。---可以說束縛電子之所以被束縛而無法成為自由電子是因為其能量不足通常吾人稱這個不足之能量的大小為該束縛電子所受到的束縛能。---越外圍的束縛電子其所受到的束縛能也越小代表其越容易被激發而脫離原子核。每一個繞行軌道所對應的電子能量必為某些特定值這些特定值使得束縛電子之能量成階段式的不連續分布這些電子能量的階段式分布即稱為『電子能階』。---根據包立不相容原理每個能階或說每個繞行軌道最多只會有兩個電子。---電子必會優先進駐低能量之軌道。因此多電子的原子的內層軌道會先被填滿。4基本原子模型E1E2E3E0能量軌道電子能階束縛電子自由電子束縛能自由電子束縛電子原子核電子軌道外加電場FeFeFen1n2n3n1最內層:5貳導體、非導體與半導體之區別及其物理解釋○一般物質大體為非導體對一般物質而言其原子裡頭最外層電子的束縛能大約在幾百分之一到幾分之一個ev電子伏特161019.焦耳之譜。要這些物質在外加電場之下導電則其最外層電子必須從外加電場穫得至少等於其束縛能的能量。電子從外加電場取得之能量E等於外加電場值Fe乘以電子移動的距離S。---以氣體為例每mole氣體231002.6個分子的體積為22.4公升每個氣體分子的體積不到326104m每個氣體原子的體積更小大約不到10327m。---在這個體積裡一個束縛電子所能移動的距離不到109m也就是Sm109。---因此要使得19181001.01025.6SFEe必須mFe/volt107。---上式所除的181025.6是一庫倫的電荷量因為我們所計算的是單一個電子的能量。以一個數公分的物質而言使其導電所須的電壓將大於十萬伏特根本不切實際。---要使物質在合理電壓之下導電必須有不同的原子結構譬如在結晶體裡。○結晶體之原子結構結晶體內部大量的原子擠在一個小空間裡原子與原子之間的距離極小。結果是每個原子的外層電子跟它本身原子核的距離變得跟鄰近原子核的距離差不多這使得外層電子同時受到多數個原子核的吸引而成為多個原子的共有電子。結晶體內部的束縛電子因此分成兩類1.內層電子--軌道距離個別原子核近受本身原子核的吸引而繞行束縛能大。2.外層電子--為結晶體全體原子所共有不屬特定原子核又稱為共用電子。6所有這些外層共用電子將視為共同繞行一個『共體原子核』。---這些共用電子的能量值將受到包立不相容原理之限制。換言之若這些電子有N個則它們將分別具有N/2種不同的能量。※相反地每個原子的內層電子軌道都是獨立其能階也都分開佈建因此可能出現超過兩個內層束縛電子有相同能量。譬如說總共有m個原子則同屬第n個內層的所有m到2m個束縛電子可能都具有相同的能量。這些不同的能量將分布在一個有限範圍裡EO跟EI之間右圖。---一般而言EEEOI大約是幾分之一個ev到幾個ev。對一塊尋常的晶體而言其所含的共用電子至少在1020個以上。---換言之在EO跟EI之間將被劃分為至少1020以上的不同能階這些能階之間的能量差因此將約略在1020ev之譜。---如此小的能量差使得這些共用電子只要在極小的外加電場之下就可穫得足夠的能量來變換軌道指在共用軌層內變換。---共用電子在共用軌層內藉轉換軌道而移動即形成電流。這些讓共用電子在外加電場之下得以自由變換軌道的共用軌層因此稱為晶體的傳導軌層。又因為這些軌層的能階分布成帶狀有時也稱它們為傳導帶。---相對地晶體的內層軌道則稱為價電帶而其內層電子則稱為價電子。另一方面只在共用軌