半導體物理・晶體基礎
涵蓋能隙與費米能階、載子與摻雜、PN 接面、晶體結構與缺陷等半導體的基礎物理。這些原理是理解電晶體運作與各項製程技術的根本，也是學習半導體元件與製造時最先需要掌握的知識。
比較文章（3 篇）
- SiC與矽（Si）的差異最大的差異在於「耐受高電壓的特性」。SiC的能隙約3.3eV，約為矽（約1.1eV）的3倍，崩潰電場約為10倍，因此能以較薄的漂移層做出相同耐壓的元件，大幅降低導通電阻與損耗。熱傳…
- 四點探針法與霍爾效應量測的差異最大的差異在於「能否分離資訊」。四點探針法只要放上探針就能量測電阻率（或片電阻），但電阻率由ρ=1/(qnμ)決定，只取決於載子濃度與遷移率的乘積，因此無法將兩者分開，也無法得知載…
- 離子佈植與熱擴散的差異（摻雜製程比較）離子佈植與熱擴散最大的差異在於「摻雜物導入原理與控制性」。離子佈植是將摻雜物離子化、加速後以物理方式打入基板，可透過射束電流的累積精密控制劑量，以加速能量精密控制接面深度；且方向性…
用語解說（53 個）
- 半導體半導體是導電性介於導電的導體（金屬）與不導電的絕緣體（橡膠、陶瓷）之間的材料，可藉由微量摻雜或施加電壓、光、溫度等外部刺激，精密控制其導電性。
- 能隙能隙是位於價帶頂端與導帶底部之間、電子無法具有的能量區域，其寬度以電子伏特（eV）表示。矽約為 1.1eV、SiC 約為 3.26eV、GaN 約為 3.4eV，這個值的大小決定了…
- pn 接面pn 接面是將 p 型半導體與 n 型半導體接合而成的結構，是二極體、電晶體、太陽能電池等幾乎所有半導體元件的基礎。在接面處，電子與電洞擴散並復合，形成沒有載子的空乏區，並產生內建…
- 能帶理論能帶理論是說明固體中電子可能具有的能量呈帶（band）狀分布的量子力學理論，也是決定物質屬於導體、半導體或絕緣體的基礎概念。由填滿電子的價帶、電子可自由移動的導帶，以及兩者之間電子…
- 價帶價帶是半導體或絕緣體中，在絕對零度時完全被電子填滿、能量最高的能帶。此處的電子受原子束縛，本身無法傳導電流；但當電子因熱或光獲得能量而躍遷至導帶後，留下的空位會以電洞的形式參與導電…
- 導帶導帶是半導體中電子可自由移動並參與導電、能量高於價帶的能帶。在常溫下，價帶的部分電子會越過能隙躍升至導帶，以自由電子的形式傳導電流。導帶底部與價帶頂端的差值就是能隙，其大小決定了半…
- 本質半導體本質半導體是幾乎不含雜質的純粹半導體，矽或鍺的完美晶體即屬此類。其特徵是因熱能從價帶激發至導帶的電子，與之後留下的電洞數量始終相等。在其中添加雜質以控制導電型態者，就是 n 型・p…
- N 型半導體與 P 型半導體N 型半導體與 P 型半導體是在本質半導體中添加雜質以控制電氣性質的2種雜質半導體。N 型加入磷或砷等施體，以自由電子為多數載子；P 型加入硼等受體，以電洞為多數載子。將這2者接合…
- 電洞電洞（hole）是半導體價帶中電子離開後留下的「電子空位」，其行為如同帶正電荷的粒子並傳導電流。當一個電子離開時，周圍的電子會接連移動來填補空位，結果電洞便朝與電子相反的方向移動。…
- 遷移率（載子遷移率）遷移率（載子遷移率）是表示半導體中電子或電洞受電場作用時移動難易程度的物性值，單位為 cm²/V·s。遷移率越高，載子移動越快，電晶體的運作速度也越快。在矽中，電子比電洞快約3倍，…
- 施體與受體施體與受體是摻雜於半導體中、決定導電型態的2種雜質。施體是磷（P）、砷（As）等價電子多1個的元素，會供應自由電子形成 n 型半導體。受體是硼（B）等價電子少1個的元素，會產生電洞…
- 復合（載子復合）復合是半導體中自由電子與電洞結合而雙雙消失、使載子損失的現象。電子從導帶落回價帶時，若能量以光的形式釋放，便成為 LED 或雷射的發光；若以熱的形式損失，在太陽能電池或光感測元件中…
- 陷阱（載子陷阱）陷阱（載子陷阱）是由晶體缺陷、雜質或介面能態在能隙中形成、會暫時捕獲電子或電洞的能階。由於會反覆捕獲與釋放載子，因而造成臨界電壓變動、雜訊與響應延遲。另一方面，非揮發性記憶體則刻意…
- 空乏層空乏層是在 pn 接面或金屬－半導體接面的界面附近形成、幾乎不存在電子與電洞等自由載子的區域，也稱為空乏區或空間電荷區，是各種半導體元件運作的核心結構。
- 費米能階費米能階是絕對零度下電子所佔據能量的最高值，在有限溫度下則定義為電子佔據機率恰為50%的能量，是表示半導體電子狀態的基準線，也是判讀導電型與載子濃度最重要的指標。
- 內建電位內建電位是在 pn 接面或金屬－半導體接面的空乏層中自然產生的電位差（電位障壁），即使在未施加外部電壓的熱平衡狀態下也存在，作為阻止載子擴散的障壁。
- 功函數功函數是將物質中的電子取出至真空所需的最小能量，定義為從費米能階到真空能階的能量差，單位為 eV，是表徵金屬與半導體電子性質的基本量。
- 電子親和能電子親和能是在半導體中從導帶底部（Ec）到真空能階的能量差，代表將導帶電子取出至真空所需的能量，常以符號 χ 表示，是異質接面與 MOS 界面設計不可或缺的物性值。
- 有效質量有效質量是將晶體中電子或電洞受到電場等外力時的移動難易度，以彷彿自由空間中的質量發生改變的方式來表示的物理量，可讓載子的運動以簡單的運動方程式處理。
- 穿隧效應穿隧效應是電子等微觀粒子憑藉量子力學的波動性，以一定機率穿過古典力學中應無法越過之能量障壁的現象，障壁越薄、越低，穿隧機率越高。
- 電傳導（導電率）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…
- 晶體結構晶體結構是原子在三維空間中規則且週期性排列的結構，半導體的電氣與機械性質由此原子排列決定，是理解與加工矽等半導體材料的出發點。
- 鑽石結構鑽石結構是每個原子與周圍4個原子以正四面體狀共價鍵結的立方晶系晶體結構，因碳的鑽石採取此結構而得名，矽、鍺等代表性半導體也具有此結構。
- 單晶單晶是整個材料中原子都保持單一連續規則排列的晶體，不含晶向中途改變的晶界，半導體元件原則上都製作在單晶矽上。
- 米勒指數米勒指數是用來表示晶體中晶面與方向、由3個整數組成的表示法，晶面以(100)之類的小括號、晶向以[100]之類的方括號表示，是指定半導體晶圓的晶面方向的標準方法。
- 晶面方向晶面方向是表示矽晶圓表面沿著哪一個晶面切出的規格，以米勒指數表示為(100)面、(110)面、(111)面等，是左右元件特性的重要規格。
- 共價鍵共價鍵是相鄰原子各自提供電子、共用電子對而結合的化學鍵，矽與鍺等半導體晶體即藉由共價鍵形成規則的晶體結構，是半導體電氣性質的基礎。
- 八隅體規則八隅體規則是原子的最外層電子（價電子）達到8個時會在化學上趨於穩定的經驗法則，是理解矽等半導體以共價鍵形成晶體的機制，以及以摻雜控制導電的基礎。
- 速率決定步驟（Rate-limiting Step）速率決定步驟是指在依序進行的數個過程中，由最慢的過程決定整體速度，該過程稱為速率決定步驟。在半導體的CVD中，低溫時為表面反應較慢的反應控制，高溫時為氣體供應跟不上的供應控制（擴散…
- 摻雜（Doping）摻雜（Doping）是指在半導體中加入微量雜質（摻雜物）以控制其電性。在矽中加入磷或砷會成為n型，加入硼則成為p型，在濃度10¹⁴～10²⁰cm⁻³的範圍內電阻率會變化好幾個數量級…
- 載子（電荷載子）載子是指在半導體中運送電荷、使電流流動的粒子，分為帶負電的電子與帶正電的電洞2種。其數量由摻雜決定，在矽中將約10¹⁰cm⁻³的本質載子濃度增加到10¹⁵～10²⁰cm⁻³。導電率…
- 異質接面（Heterojunction）異質接面是指如GaAs與AlGaAs、GaN與AlGaN這樣，將能隙不同的2種半導體以結晶形式接合而成的接面。由於可利用接合面形成的能帶階差侷限電子或光，因此用於HEMT・HBT・…
- 晶格常數晶格常數是指結晶中原子規則排列的重複單位（單位晶格）的邊長，矽約為0.543nm，GaAs約為0.565nm。基板與薄膜的晶格常數差（晶格失配）大時會產生失配差排，因此是磊晶成長與…
- 歐姆接觸（Ohmic Contact）歐姆接觸是指金屬與半導體的接觸中，電流與電壓成正比，且不論方向都能以低電阻導通的接觸。基本方法是將界面高濃度摻雜至10¹⁹cm⁻³以上，使載子以穿隧效應穿過能障，在矽LSI中以矽化…
- 蕭特基接面（蕭特基能障）蕭特基接面是指因金屬與半導體界面形成的能量障壁（蕭特基能障），使電流容易往單一方向流動的整流性接面。由於只靠多數載子運作，速度快，順向電壓也比pn接面低，用於蕭特基二極體（SBD）…
- 漂移電流・擴散電流漂移電流是載子受電場牽引移動而產生的電流，擴散電流是載子從濃度高處向濃度低處擴散而產生的電流。漂移電流與載子濃度・遷移率・電場成正比，擴散電流與濃度梯度及擴散係數成正比，兩者以愛因…
- 光吸收（吸收係數）吸收係數是表示光在物質中前進時衰減難易程度的數值，光的強度依I＝I₀×exp（−αx）呈指數衰減。其倒數1/α稱為穿透深度。在半導體中，只有能量大於能隙的光會被強烈吸收，在矽中藍光…
- 矽矽（Silicon）是原子序14、元素符號Si的元素，是構成大部分半導體元件的基本材料。它在地殼中含量豐富，能隙約1.12eV、容易以雜質控制，並可透過熱氧化形成優質絕緣膜，這些都…
- 劈裂（解理）劈裂（解理）是晶體沿著特定晶面平整斷裂的性質，斷裂後出現的面稱為劈裂面。矽主要沿{111}面與{110}面斷裂，在製作截面觀察試片與晶圓切割時須加以考量。GaAs與InP可沿{11…
- 化學計量組成（化學計量比）化學計量組成是指構成化合物的元素比例符合化學式整數比的狀態，Si₃N₄為3比4，SiO₂為1比2。半導體薄膜的組成容易因成膜方法而偏離，進而改變折射率・蝕刻速率・絕緣性・應力，因此…
- 跳躍傳導跳躍傳導是指電子從空間上局域化的狀態跳到附近另一個局域狀態而使電流流動的傳導機制。發生在原子排列紊亂的非晶物質、有機半導體，以及高雜質濃度半導體的低溫狀態中，溫度越高越容易導通，遷…
- 懸鍵懸鍵（未鍵結鍵）是指原子所具有的鍵結中，沒有鍵結對象而多出來的鍵。它產生在矽表面、與氧化層的界面、缺陷及非晶部分，會在能隙中形成能階，捕捉載子或使其復合。製造中會以在合成氣體中的熱…
- 聲子（晶格振動）聲子是將晶體中原子集體振動的晶格振動當作粒子來處理的概念。在半導體中，它會散射電子與電洞，是降低室溫遷移率的主要因素，在矽這類間接能隙半導體的光吸收與發光中也不可或缺。熱也是由聲子…
- 光伏效應（光生伏特效應）光伏效應是對物質照光時產生電壓的現象。光照射半導體的PN接面時會產生電子電洞對，經接面內建電場分離，電子移向N型側、電洞移向P型側而產生電壓。它是太陽電池與光二極體的運作原理，與照…
- 菲克定律（擴散係數）菲克定律是描述物質由高濃度處向低濃度處擴散的基本定律。第1定律表示擴散通量與濃度梯度成正比（J＝−D×dC/dx），第2定律則表示濃度隨時間的變化。比例常數擴散係數強烈依賴溫度，在…
- 晶界晶界是多晶材料中方向不同的晶粒彼此相接的邊界，原子排列較為紊亂。在複晶矽中，晶界會捕獲載子而使電阻升高；在微細銅導線中，電子散射會使電阻上升，晶界也會成為電遷移時原子的通道。可透過…
- 深能階（DLTS）深能階是半導體能隙中，遠離導帶或價帶邊緣位置所形成的能階。由金屬雜質或晶體缺陷造成，會捕獲載子或使其復合，縮短載子壽命，增加漏電流與暗電流。可用DLTS量測，在高速二極體中則刻意製…
- 集膚效應集膚效應是指導體通入交流電時，頻率越高，電流越集中在表面附近，幾乎不流經中心部的現象。電流流動深度的參考值稱為集膚深度，銅在1GHz時只有約2μm。頻率越高電阻越大、訊號損耗也越大…
- 德拜長度德拜長度是在可移動電荷眾多的物質中，某電荷的影響被周圍電荷抵消（屏蔽）的距離參考值。溫度越高越長，電荷密度越高越短。在半導體製造用的電漿中約為0.1mm上下，是壁面附近鞘層厚度的參…
- 阿瑞尼斯圖（Arrhenius Plot）阿瑞尼斯圖是將反應或劣化速率的對數，對絕對溫度的倒數（1/T）作圖的圖表。遵循阿瑞尼斯方程式的現象會呈直線，可從其斜率求出活化能。在半導體中，用於整理擴散、氧化、CVD的溫度相依性…
- 次臨界區（次臨界擺幅）次臨界區是指MOS電晶體的閘極電壓即使低於臨界電壓，仍有擴散造成的微小電流隨閘極電壓呈指數變化而流動的區域。表示電流變化陡峭程度的S值在室溫下約以60mV/dec為極限，降低臨界電…
- 載子生命期（少數載子生命期）載子生命期（少數載子生命期）是指因注入而增加的少數載子再結合消失前的平均時間。在矽中主要由經缺陷或金屬雜質能階的再結合決定，因此即使微量的金屬汙染也會使其大幅縮短。太陽能電池與影像…
- 平帶電壓（VFB）平帶電壓（VFB）是在MOS結構中，使半導體側能帶直到表面都保持平坦的閘極電壓。由閘極電極與半導體的功函數差φms，以及絕緣膜中與界面的電荷決定，表示為VFB＝φms−Qf/Cox…
最後更新：2026年10月8日