最後更新:2026年10月8日基礎概念半導體物理・晶體基礎中國大陸:电导(电导率)

電傳導(導電率)是什麼

Electrical Conduction (Conductivity)

電傳導是電子或電洞等載子移動而使電流流動的現象,其導電難易以導電率 σ(S/cm,電阻率的倒數)表示。半導體的 σ = q(nμₙ + pμₚ),由載子濃度與遷移率的乘積決定,可藉摻雜改變好幾個數量級。從銅的約6×10⁵S/cm 到 SiO₂的10⁻¹⁴S/cm 以下,相差20個數量級以上,這個差異正是導體、半導體、絕緣體的區別。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

電傳導是物質中帶電荷的粒子(載子)移動而使電流流動的現象。表示其導電難易程度的物性值是導電率(電導率,σ),單位為 S/cm(或 S/m)。導電率是電阻率 ρ 的倒數(σ = 1/ρ),導體、半導體、絕緣體的區別,就對應於這個數值相差20個數量級以上。

半導體的導電率表示為 σ = q(nμₙ + pμₚ)。q 為基本電荷,n 與 p 為電子與電洞的濃度,μₙ 與 μₚ 為各自的遷移率。決定導電率的是「有多少可移動的載子」與「每個載子有多容易移動」的乘積,而半導體可藉摻雜將載子濃度改變好幾個數量級,因此能依用途設計導電率。

電流的流動方式有2種:載子被電場推動而產生的漂移電流,以及載子從濃度高處向低處擴散而產生的擴散電流。金屬的電傳導幾乎只用漂移就能說明,但在半導體元件中兩者都很重要。pn 接面的順向電流以擴散電流為主,MOSFET 的通道則依工作條件,漂移與擴散的比重會互換。遷移率與擴散係數以愛因斯坦關係式 D = (kT/q)μ 相連。

對溫度的行為,金屬與半導體正好相反。金屬的載子濃度幾乎固定,溫度升高時晶格振動造成的散射增加,因此導電率下降。本質半導體則在溫度升高時,越過能隙被激發的載子呈指數增加,導電率因而急遽上升。摻雜過的半導體在常溫附近載子濃度幾乎固定,因此溫度上升時導電率會略微下降,呈現接近金屬的行為。

即使是被視為絕緣體的材料,在強電場下也會流過微小電流。例如電子穿越薄閘極絕緣層的穿隧傳導,以及電子經由膜中陷阱能階移動的 Poole-Frenkel 傳導,這些都是決定漏電流與絕緣膜可靠度的因素。反之在銅導線中,當線寬接近電子的平均自由徑(約40nm)時,表面與晶界的散射增加,使電阻率高於塊材數值的尺寸效應已成為問題。

電傳導(導電率)的常見問題

導電率與電阻率的關係是?
兩者互為倒數(σ = 1/ρ)。電阻率以 Ω·cm 表示「導電的困難程度」,導電率則以 S/cm(西門子每公分)表示「導電的容易程度」。半導體現場多以電阻率表示,討論物性或比較相差好幾個數量級的材料時則常用導電率。
漂移電流與擴散電流有什麼不同?
漂移電流是載子被電場推動而產生的電流。擴散電流則是載子濃度有差異時,從濃處向稀處擴散而產生的電流,即使沒有電場也會流動。金屬只需考慮前者,而半導體元件中載子濃度會產生很大差異,因此兩者都很重要。
為什麼半導體在溫度升高時會更容易導電?
因為熱能使越過能隙進入導電帶的電子增加,載子數量本身增加。本質載子濃度隨溫度呈指數增加,即使遷移率略為下降也會被其抵銷而有餘。金屬原本載子就已足夠多、數量幾乎不變,只有散射增加的效應起作用,因此溫度升高時反而較不易導電。
為什麼 NMOS 比 PMOS 快?
因為電子的遷移率比電洞大。矽在低濃度時,電子約為1,400cm²/V·s,電洞約為450cm²/V·s,相差約3倍。要流過相同電流,PMOS 的電晶體寬度必須做得較寬,CMOS 電路設計時會考慮這個差異來決定尺寸。

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