知識力

❒ 半導體中電子的分佈

固體材料依照導電性可以分為非導體、半導體、良導體與超導體等四種，其中只有「半導體」具有發光的特性，因此這裏所討論的模型雖然適用於所有的固體，但是主要是針對半導體而言。
一塊砂粒大小的半導體(又稱為「塊材(Bulk)」)其實就包含了極多個原子，1公克的矽大約有10²³個原子，因為1個矽原子有1個原子核，原子核外有14個電子(矽的原子序14)，所以1公克的矽大約有10²³個原子核，原子核外大約有14x10²³個電子，要如何描述這麼多的原子核與電子在一塊矽固體中的行為呢？

「1個矽原子」有1個原子核，原子核外面有1層薄薄的內層能階；而在內層能階的外面則包覆另外1層薄薄的外層能階，如＜圖一(a)＞所示。「1公克的矽」大約有10²³個原子，因此大約有10²³個原子核，原子核外面有10²³層薄薄的內層能階，更遠的外面則有10²³層薄薄的外層能階，科學家們「想像」這10²³個原子核是集中在這塊矽固體的正中央形成一個「大原子核」，如＜圖一(b)＞所示；而10²³層薄薄的內層能階集合起來就會形成一層有厚度的能帶(Band)，稱為「價電帶(Valence band)」；10²³層薄薄的外層能階集合起來就會形成一層有厚度的能帶(Band)，稱為「導電帶(Conduction band)」，如＜圖一(b)＞所示。看到這裏，大家有沒有開始覺得科學家們的「想像力」實在太豐富了呢？這種說法雖然聽起來有點不合理，卻是目前被科學家們廣泛接受的半導體材料發光原理模型了。

圖一　能階與能帶示意圖。

❒ 半導體的能帶(Energy band)
科學家們將電子可以存在半導體中，並且繞原子核運行的區域稱為「能帶(Energy band)」，半導體的能帶可以分為「價電帶(由內層能階集合起來形成)」與「導電帶(由外層能階集合起來形成)」，如＜圖二(a)與(c)＞所示。我們可以將電子在半導體的價電帶與導電帶的行為，想像成某甲在大樓的一樓與頂樓，如＜圖二(b)與(d)＞所示。知識力www.ansforce.com。

圖二　半導體固體的價電帶與導電帶。

➤價電帶(能量較低)：在沒有外加能量時，原子核外所有的電子都在「價電帶」繞著原子核運行，價電帶的電子能量較低，比較穩定，如＜圖二(a)＞所示。價電帶就好像大樓的「一樓」，大樓內的某甲在大樓的一樓，一樓的能量較低，比較穩定，也比較安全，如＜圖二(b)＞所示。
➤導電帶(能量較高)：在有外加能量(光能或電能)時，則其中一個電子會由價電帶跳躍到「導電帶」，導電帶的電子能量較高，比較不穩定，如＜圖二(c)＞所示。導電帶就好像大樓的「頂樓」，對大樓內的某甲外加能量(爬樓梯或坐電梯)，則某甲會由一樓升高到頂樓，頂樓的能量較高，比較不穩定，也比較危險，如＜圖二(d)＞所示。
➤能隙(Energy gap)：科學家發現，在價電帶與導電帶之間的區域是沒有電子存在的，換句話說，電子原本在價電帶，當我們對半導體外加能量，電子並不是慢慢地爬到導電帶，而是電子吸收了這個能量以後「直接跳躍」到導電帶。價電帶與導電帶之間沒有電子存在的區域稱為「能隙(Energy gap)」，而「能隙的大小」就是價電帶與導電帶之間的能量差(位能差)，大家是否已經發現，半導體(1023個原子)的發光行為與一個原子的發光行為完全相同，只是「內層能階」換成「價電帶」，而「外層能階」換成「導電帶」而已。知識力www.ansforce.com。

❒ 半導體的發光原理
＜圖三(a)＞為砷化鎵的能帶示意圖，如果仔細觀察＜圖三(a)＞會發現，其實圖中真正有意義的部分只有砷化鎵的上方，因此科學家將砷化鎵上方虛線的部分畫成如＜圖三(b)＞的簡圖。

圖三　砷化鎵固體的發光原理。

砷化鎵的電子在沒有外加能量的情況下都在「價電帶」，導電帶則是空的，如＜圖三(b)＞所示。對砷化鎵外加能量(光能或電能)，則其中一個電子會由價電帶跳躍到「導電帶」，如圖＜三(c)＞所示。由於導電帶的電子能量較高，比較不穩定，因此電子一不小心便會由導電帶落回價電帶，並將剛才吸收的能量以「光能或熱能」的形式釋放出來，最後電子回到原先的狀態，如＜圖三(d)＞所示，這是所有光電科技產品必定遵守的定律，我們稱為「能量守恆定律」。知識力www.ansforce.com。

【重要觀念】
➤ 能量的激發：對半導體外加能量(光能或電能)，使電子由「價電帶」跳躍到「導電帶」的動作稱為「激發(Pumping)」。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。
 

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「光電科技與新儲存產業，全華圖書公司」。＜我要買書＞