半導體的構成半導體的構成

電子科技發展史電子科技發展史

• 19 世紀末至 20 世紀初︰– 發現電子（J. J. Thomson,

1897,於 1908 年獲諾貝爾獎）– 量測電子電荷（R. A. Millikan,

1913）– 發現愛迪生效應（T. A. Edison）– 真空管（J. A. Fleming）真空管（ g）– 放大真空管（De Forest, 1906）與收音機

• 20世紀前半：真空管時代20 世紀前半：真空管時代（收音機、無線電、雷達、電視）

Thomson與 Millikan實驗Thomson 與 Millikan 實驗

• 20 世紀後半：– 1947 ：J. Bardeen, W. H.

Brattain, 與W. B. Shockley 於Bell 實驗室電晶體（於 1956 年獲諾貝爾獎）諾貝爾獎）

– 1958-59 :基於軍事需求，J. Kilby（德州儀器），J. Hoerni 與 R. Noyce （Fairchild Semi-conductor Co.）發明積體電路（Integrated Circuit, IC），SSI 時期（Small Scale Integration，元件數目 2-50）

– 1960：電晶體開始取代真空管– 1971：Intel 微處理器

• 21 世紀：奈米科技與微機電

半導體發明半導體發明

Bardeen, Schochley 與 Brattain

世界第一個電晶體（1947）

絕緣體，半導體與導體絕緣體 半導體與導體

本徵半導體

非本徵半導體

電阻與電阻係數電阻與電阻係數

電阻係數

名詞解釋名詞解釋

• 本徵半導體（ Intrinsic semi-conductor）: 不含任何雜質的半導體

• 非本徵半導體（Extrinsic semi-非本徵半導體（conductor ）: 添加微量雜質的半導體

半導體元素半導體元素

矽矽

非本徵半導體非本徵半導體

施體電子施體電子

n 型

受體電洞

p 型

名詞解釋名詞解釋

• Dopant（載體、摻雜）：在控制條件下加入半導體的原子：

– Donor（施體）: 或稱 n-type dopant，可增加自由電子數目的 dopant

– Acceptor（受體）:或稱 p-type dopant，可增加電洞數目的 dopant

• n-type material（n 型物質）: 以施自 於體摻雜的物質，自由電子多於電洞

• p-type material（p 型物質）: 以受體摻雜的物質，電洞多於自由電子

自由電子與電洞效應自由電子與電洞效應

• 導體自由電子密度 ~ 1028 m-3導體自由電子密度

• 本徵半導體自由電子密度 ~ 1015 m-3

密度 21 3• 摻雜原子密度 ~ 1021 m-3

• 半導體自由電子增加 ~ 1021/ 1015 = 10610 10

半導體材料的特性半導體材料的特性

• 導電係數 < 導體導電係數 導體

• 電壓不與電流成正比：電阻會隨電壓改變

n型與 p型半導體n型與 p型半導體

二極體( )(p-n Junction, Junction Diode)

整流作用

電晶體(Junction Transistor Bipolar Junction(Junction Transistor, Bipolar Junction

Transistor)

npn pnpp pnp

集極（collector）（ ）

基極（base）

射極（emitter）

電晶體放大作用電晶體放大作用

場效二極體（ ）（Field Effect Transistor, FET）

• JFET（結合型 FET）：（結合型 ）Junction FET

• MOSFET（MOS 型 FET）：M t l O id S i d tMetal Oxide Semiconductor（氧化金屬半導體）

N-Channel（通道）MOSFETMOSFET

其他半導體元件其他半導體元件

• 發光二極體（LED，light emitting diode）：電流通過時會發光

• 太陽電池（solar cell）：將光太陽電池（solar cell） 將光轉變為電能

• 光二極體（photo diode）：將光變成訊號光變成訊號

• CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）：記錄影像訊號號

• 半導體雷射• ……

由電晶體到積體電路（i t t d i it IC）（integrated circuit, IC）

電晶體、積體電路（IC）與場效應電晶體（FET）

晶圓－晶片－封裝體晶圓 晶片 封裝體

基板（substrate）

積體電路範例積體電路範例

電荷耦合裝置（CCD）電荷耦合裝置（CCD）

電子錶 IC 微處理器 IC

積體電路分類積體電路分類

積體電路的演進積體電路的演進