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Ch11 現代科技簡介

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Ch11 現代科技簡介. §11-1 物理與醫療 §11-2 半導體 §11-3 超導體 §11-4 人造光源 §11-5 奈米科技. §11-1 物理與醫療. 現代化的醫療是一門跨領域的科學,透過診斷和治療而維持人體的健康,結合了物理、化學、生命科學等知識的應用。物理知識除了用於解釋人體各器官的運作和病理機制外,也常見於醫療儀器的設計和應用,下面略舉數例來做說明:. 耳溫槍 : - PowerPoint PPT Presentation

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Ch11 現代科技簡介§11-1 物理與醫療

§11-2 半導體

§11-3 超導體

§11-4 人造光源

§11-5 奈米科技

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§11-1物理與醫療

1.耳溫槍:• 黑體輻射能量強度分布與溫度有關,其峰值出現的位置隨

溫度的增加而移向頻率更高的位置,因此,我們如果能測到黑體輻射能量的峰值,就能得到其相對應的溫度。耳溫槍 (ear thermometer) 就是依據這個原理所設計而成。

• 溫度在體溫的範圍時,黑體輻射能量強度峰值的位置在紅外線的範圍,當耳溫槍的探頭對準耳膜時,就能偵測到耳膜所發出的紅外線,再經儀器換算為溫度的讀數,直接顯示在小螢幕上。

現代化的醫療是一門跨領域的科學,透過診斷和治療而維持人體的健康,結合了物理、化學、生命科學等知識的應用。物理知識除了用於解釋人體各器官的運作和病理機制外,也常見於醫療儀器的設計和應用,下面略舉數例來做說明:

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• 測量位置選擇在耳膜附近的理由是因為耳膜離「下視丘(hypothalamus) 」很近,而「下視丘」是人體控制體溫的中心,若有發燒的現象,就首先從這裡開始。

• 傳統溫度計須等待熱平衡的時間,耳溫槍則無須如此,因此可以快速的量出體溫。在 SARS 流行期間,大家都需要常常測量體溫,若是沒有耳溫槍這樣的利器,那監測大眾的體溫將是不可能的任務。

2. X 光• X 光是在十九世紀末即將邁入二十世紀時由侖琴所發現。

它的波長遠低於可見光,由於能量較高,能穿透肌肉組織,但是骨骼對 X 光有較強的吸收能力,所以能夠產生陰影,因此當我們以 X 光照射人體組織時,會顯示出如右圖的骨骼陰影。事實上,世界上第一張 X 光片,就是侖琴以 X 光拍攝他夫人的手掌。

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• 現在 X 光已廣泛應用於臨床醫學,特別是骨科、胸腔科、牙科,常用以檢查骨折、乳房病變、肺結核、牙齒病變、癌症等。

• X 光的優點是花費較低,照射方便;缺點則是無法得到骨骼後面的影像,限制了它應用的範圍。同時,由於它游離輻射較強,對特定對象,例如胎兒、孕婦不宜使用。

3. 超音波顯像術:• 超音波顯像術( ultrasonic imaging)是聲學在醫療上的一種應用例子。產生超聲波的方法是利用一種稱為壓電轉換器( piezoelectric transducer)的陶瓷片,若在其兩表面電極之間加上高頻的交流電壓,則可使該陶瓷片做相同頻率的振動而產生超音波,即可將電能轉變為聲能。反之,當陶瓷片受到高頻振動時,其兩表面電極之間會隨之產生同頻的交流電壓,即可將聲能轉變為電能。

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• 利用一個或多個轉換器的陣列,連同導線組合成探頭,可產生短而強的一系列超音波脈衝,發出可單一聚焦的弧形波。醫療使用的超音波頻率一般在 1至 13百萬赫之間,遠超出人耳所能聽到的頻率範圍(約 20至 20,000赫)。

• 通常使用手持式探頭,放置於患者身上移動檢查,並將一種水基凝膠塗在患者身體和探頭之間,作為耦合媒介,可有效地將超音波從探頭傳送入人體內。

• 聲波在體內傳播的過程中,遇到聲學性質不同的介質時,會有部分的聲波在界面上產生反射,形成回聲。當原探頭偵測到回聲時,將之轉變為電壓訊號,利用電腦記錄探頭的位置、超音波去回的時間(用以計算深度)、和回聲訊號的強度。依據這些數據,可以構建出二維或三維的圖像。

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4.內視鏡: 內視鏡( endoscope)是一條可彎曲的

由光纖構成的細長軟管,可經由口腔和食道進入胃內,如右圖所示。入射光由置於體外的光源,利用光纖內部的全反射作用,導引進入胃內照明待檢查的部位。攝得的影像同樣利用光纖傳送至體外的監視器,以便觀察。

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一般電腦斷層攝影所得到的是一層層切面的影像,所以稱之為斷層攝影。電腦斷層攝影比單純 X 光照射所獲得的資訊為多,對診斷病情有很大的幫助,現在也廣泛應用於臨床醫學。電腦斷層攝影雖是診察的利器,但是它應用的範圍比較受限制, X 光對人體的掃描照射,有可能造成游離輻射性的傷害,而且 X 光的照射劑量具有累積的輻射效應,掃描的次數應有限制,成本也高,若非必要,醫生也不輕易採用。

5.電腦斷層攝影: 電腦斷層攝影 (computed

tomography) ,一般常簡稱為 CT ,電腦斷層掃描是使入射的 X 光,環繞一個轉軸,沿不同的角度對人體照射,獲得一系列在不同層面上的二維影像資料,如同身體內部的剖面圖,最後再經由電腦計算而產生三維的 X 光影像 。

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強力靜磁場中,則這些氫原子核的磁矩方向將重新排列。有稍多於一半的氫原子核的磁矩方向,和外加磁場同向,處於較低的能階;但另略小於一半的氫原子核的磁矩方向,則和外加磁場反向,處於較高的能階。這時若以特定無線電頻率的電磁波照射這些水分子,則原居於低能階的氫原子核,有一些會被激發到高能階。當電磁波停止照射時,被激發的氫原子核會回降至原先的低能階,同時釋放

6.核磁共振造影 磁振造影的基本原理簡述如下:人體內

的各器官組織皆含有許多水分子,這些水分子內的氫原子核(即質子)具有磁性,相當於一個極小的磁鐵。在室溫時,若未加任何磁場,則這些極小磁鐵的磁矩方向是任意的。但若置於外加的

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出之前所吸收的能量,發出同樣頻率的電磁波訊號,可利用感應線圈接收此訊號,其強弱取決於照射部位的水分子密度的多寡。因此可藉訊號的的強弱分布,而顯現出不同器官或組織的形狀。如果再搭配三組分別沿 x 、 y 、 z 方向可以產生調制磁場的掃描線圈,用以標定電磁波照射的位置,則結合電腦處理這些數據,可以構建出二維或三維的斷層掃描影像。

磁振造影對人體不具侵襲性,不會產生游離輻射,可作多方向的斷層掃描,提供三度空間的影像,又有高對比的解像力,是現代醫療儀器的重大發明。

磁振造影所需的強力靜磁場,其強度約在 1 至 3 特斯拉之間,約為地球磁場強度的 2 萬至 6 萬倍。這麼強的磁場,不適合利用普通的電磁鐵來產生,而是由超導線圈來提供,必須使用昂貴的液態氦,來冷卻超導線圈,因此操作和維持費用甚高。不過由於需求的增加,將來會逐漸普及,成本就會降低。

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7.正子放射斷層造影術 另一種利用輻射能的現代醫療技術,稱為正子放射斷層造影術( positron emission tomography),簡稱 PET ,其應用的掃描技術和上述的電腦斷層攝影相同,差異之處在於所使用的輻射光源是 γ 射線,來自於正子和電子相遇毀滅後而產生的輻射光子。

在進行正子造影前,病人需先服用或注射適當的正子發射追蹤劑,內含能輻射正子的不穩定原子核,半衰期通常小於 2小時。這些追蹤劑進入人體後,會聚集在待觀測的器官或組織,其發射出的正子約可運動 0.5 至 2.5mm 的範圍,最後和一個相遇的電子碰撞而相互毀滅,結果產生一對沿相反方向射出的 γ 光子。環狀排列的 γ 射線偵測器可以接收到這些訊號,並傳送到電腦處理,組合成二維或三維的影像。

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§11-2半導體1. 物質的分類:依物質導電性的差異來分類,大致分成三類:導體、半導體和絕緣體。

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半導體材料主要元素IIA IIIA IVA VA VIA

硼 B 碳 C 氮 N 氧 O

鋁 Aℓ 矽 Si 磷 P 硫 S

鋅 Zn 鎵 Ga 鍺 Ge 砷 As 硒 Se

鎘 Cd 銦 In 錫 Sn 銻 Sb 鍗 Te

汞 Hg 鉈 Tℓ 鉛 Pb 鉍 Bi 釙 Po

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2. 半導體的種類:• 元素半導體:由單一第四族元素如矽、鍺等所製成,用來製造二極體、電晶體及 IC 。

• 化合物半導體:是利用第三族與第五族元素、第四族與第四族,或第二族元素與第六族元素所組成的化合物,如三五族的 GaP 、 GaAs;四四族的 SiC;二六族的 CdS 、CdTe 、 ZnSe 等。主要用於光電元件,如發光二極體( LED)雷射偵測器等。

• 氧化物半導體:以氧化物構成,利用結晶構造的缺陷或化學當量的不對稱性形成的導電作用。如 BaTiO3 、 SnO2 等。主要用於熱阻體或感測元件。

• 非晶質半導體:它的晶質結構沒有一定規則,可從液態或氣態急速冷卻而成,如太陽電池的非晶質矽 Se-As-Te 。

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3. 半導體的晶體結構:矽( Si)和鍺( Ge)的晶體是典型且使用最廣的半導體材料。

矽(或鍺)晶體的立體結構,每一個原子的周圍各有四個相鄰的原子,與之形成共價鍵。

平面化簡圖,晶體內各原子的排列整齊有序,每一對相鄰的原子,共用一對電子形成共價鍵。

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4. 半導體的載子:• 自由電子:少數價電子由於有較激烈的熱運動而脫離束縛所形成。

• 電洞:價電子脫離共價鍵後,在原來鍵上留下空位,因此鄰近鍵上的價電子很容易被吸進來填補空位。好像空位由一個共價鍵移到另一個共價鍵,則此空位的行為就好像一個帶正電而能自由移動的粒子,稱為電洞。

• 在純矽(或鍺)的晶體內,自由電子和電洞的數目相等。• 半導體溫度升高時,所產生的自由電子電洞對越多,可使

半導體的導電能力增加。

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例題:下列哪一情況可使電晶體內產生「電子 – 電洞對」?( A)復合後( B)受熱後( C)離子化後( D)摻雜後( E)受光照射。

答案: BE

例題:下列何者的電阻率在室溫下會隨著溫度上升而明顯的下降? (A)金屬 (B)絕緣體 (C)純半導體 (D) 以上皆非。

答案: C

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5. 摻雜:• 在純半導體晶體內摻入微量的雜質,能大幅提升其導電

的能力。這種摻入雜質原子的過程,稱為摻雜( doping)。  

• 在純半導體晶體內,常溫下每立方公分只有約 1010 個自由電子或電洞;摻入的雜質原子的濃度,一般每立方公分約為 1016 個原子,僅占全部原子數的一千萬分之一,卻使晶體內自由電子的密度增加 10 6 倍。

• 外質半導體:摻雜其他雜質的半導體,可分為 p 型及 n 型半導體。

• 純半導體與參入的雜質都是電中性的原子,因此無論是 p 型或 n 型半導體,整體而言仍然呈現電中性。

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6. n 型半導體:• 製作方法:以純矽的晶體為例,在矽晶體中摻入五 A 族的元素,如砷、磷、銻等。所加入的原子和鄰近的四個矽原子形成穩定的網狀共價鍵,會多出一個電子。剩餘的電子在所受的束縛力很微弱便形成自由電子,故加入微量的雜質即可使自由電子的濃度大增。

• 多數載子:自由電子。 • 少數載子:電洞。• 施體:在矽晶體中所加入的五 A 族原子,因剩餘一個價電子而失去此價電子,故所加入的五 A 族原子稱為施體 ( Donor)。

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7. p 型半導體:• 製作方法:以純矽的晶體為例,在矽晶體中摻入三 A 族

的元素,如硼、鋁、鎵等。所加入的原子因尚差一個電子,才和鄰近的四個矽原子形成穩定的網狀共價鍵。欠缺的電子在共價鍵上所佔的位置便形成電洞,故加入微量的雜質即可使電洞的濃度大增。

• 多數載子:電洞。• 少數載子:自由電子。• 受體:在矽晶體中所加入的三 A 族原子,因少一個價電子而接受一個價電子,故所加入的三 A 族原子稱為受體( Acceptor)。

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例題:有關半導體之敘述,下列何者錯誤?( A)將三價雜質元素滲入純半導體中,以形成 P 型半導體( B)將五價雜質元素滲入半導體中,以形成 N 型半導體( C) N 型半導體之多數載子為自由電子( D) P 型半導體之少數載子為電洞( E)摻雜後半導體本身之電性仍屬中性。

答案: D

例題:將硼加入在四價元素時,硼稱為 (A)施體 (B)受體 (C)多數載子 (D)少數載子 (E) 離子。

答案: B

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例題:在四價元素中,加入磷後,所形成的半導體為 (A) P 型半導體 (B) N 型半導體 (C) 電中性半導體 (D) 陽極半導體 (E) 陰極半導體。

答案: B

例題:下列有關 P 型半導體與 N 型半導體的敘述,何者正確? (A)帶負電的半導體,稱為 N 型半導體 (B)帶正電的半導體,稱為 P 型半導體 (C) 半導體中存在負離子的為 N 型半導體 (D) 半導體中存在正離子的為 P 型半導體 (E) 不論 P 型半導體或 N 型半導體,皆為電中性。

答案: E

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例題:下列有關 P 型半導體與 N 型半導體的敘述,何者正確? (A) N 型半導體可由矽中摻雜受體原子形成(B) P 型半導體可由矽中摻雜施體原子形成(C)受體原子愈多時,半導體中的自由電子也愈多(D)施體原子愈多時,半導體中的電洞也愈多(E)施體原子在半導體中呈現正電性。 答案: E

例題:下面哪種元素的組合,常見於化合物半導體的組成? (A)七、八族元素 (B) 二、六族元素 (C)四、六族元素(D)六、八族元素。

答案: B

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§11-2 二極體1. p - n 接面二極體的結構: 將一塊純矽(或鍺)晶體的一部分摻入雜質原子使成為 n 型半導體,其餘部分為 p 型半導體,就成為 p - n 接面二極體 ( p-n junction diode),簡稱二極體( diode)。在接面左邊 p 型半導體內部的電洞密度和右邊 n 型半導體內部的自由電子密度不一定相等。

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2. p-n 接面二極體的電荷分布情形:

空乏區: p 型半導體的電洞會擴散入 n 型半導體,而與自由電子復合,相同地, n 型半導體的自由電子會擴散入 p 型半導體,而與電洞復合。因此在 p n 接面附近形成一個狹窄的區域,此區域既沒有電洞也沒有自由電子,稱為空乏區。

位能障礙:空乏區留下的正、負離子會形成由 n 型區指向 p 型區的電場,造成電位差,以阻止 p型半導體的電洞與 n 型半導體的自由電子,再穿過接面進行擴散。

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3. 二極體內的電流:擴散電流 Id :載子由高濃度向低濃度處流動形成的電流,p 型區的多數載子為電洞,會擴散進入 n 型區, n 型區的多數載子為電子,會擴散進入 p 型區,但都必須克服位障高度 Vb ,才能形成擴散電流 Id 。二極體內的擴散電流等於電洞和自由電子進行擴散所形成電流的總和。

漂移電流 Is :由電場驅動所產生的電流。少數載子只要能闖進空乏層內(可能藉由熱運動),就會被其內建電場所吸引而被掃入另一邊,形成漂移電流 Is 。漂移電流的大小和與溫度有關,但和位障高度無關。

二極體的電流:擴散電流與漂移電流方向相反,二極體的電流等於擴散電流與漂移電流的總和。二極體處於斷路時,由於總電流為零,故擴散電流與漂移電流大小相等, Id = Is 。

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4. 二極體受到的偏壓 :

(1) 順向偏壓:• 當二極體外接電源,使 p 型半導體的電位高於 n 型半導體時,又稱為正向偏壓。

• 二極體所受的順向偏壓使位障高度降低,空乏區縮小,由多數載子形成的擴散電流 Id 大於由少數載子形成的漂移電流 Is 。

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(2) 逆向偏壓:• 當二極體外接電源,使

p 型半導體的電位低於n 型半導體時,又稱為反向偏壓。

• 二極體所受的逆向偏壓使位障高度升高,空乏區擴大,擴散電流 Id 幾乎為零,漂移電流 Is 成為主要電流。但是 Is 非常小,普通電錶不易測出,可視為零,故電路處於斷路狀態。

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5. 二極體的 I-V 特性曲線:

• 二極體的電流和電壓之間的關係不是線性,不符合歐姆定律。

• 施加於二極體兩端的順向偏壓必須約在 0.6 V 以上,才能產生明顯的電流。這個電壓稱為二極體的導通電壓。

• 當二極體所受的電壓超過導通電壓時,電流迅速增大,但是相應的電壓變化卻很小。

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6. 二極體的電路符號及特性:• 箭頭的方向代表常規的電流方向,

由 p 邊指向 n 邊。• 二極體具有單向導電的特性。當二極體受到順向偏壓時,電路呈通路狀態;反之,受到逆向偏壓時,則成為斷路狀態,電流為零。

7. 二極體的功用 ---整流:二極體具有單向導電的特性,可以把交流電壓轉變為直流電壓,此過程稱為整流。

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8. 發光二極體:砷化鎵( GaAs)晶體是一種化合物,具有半導體的特性,利用這種半導體製成的 p - n 接面二極體,通以電流時會發出不可見的紅外線。如果將一定比例的砷原子以磷原子取代,成為砷化磷鎵( PGaAs)的三元半導體,以這種晶體製成的二極體,導通時可發出紅色或黃色的可見光,這種二極體統稱為發光二極體( LED)。

電路符號

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例題: p n 接面二極體空乏區形成後( A)電中性 p 型區中電洞濃度與電子濃度相等( B)電中性 p 型區中電洞濃度遠大於電子濃度( C)電中性 n 型區中電子濃度與電洞濃度相等( D)電中性 n 型區中電子濃度遠大於電洞濃度( E)空乏區中電子與電洞濃度均比中性區內的多數載體低 很多。

答案: BDE

例題:二極體內之擴散電流發生的原因是(A)兩端有電壓 (B)內部有電場 (C)載子濃度不均勻(D) 溫度變化 (E) 有雜質摻入。

答案: C

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例題:在空乏區中,施體的電性為 (A)帶正電 (B)帶負電 (C) 不帶電 (D) P 型區與 N 形區不同 (E) 與施體的種類有關。 答案: A

例題: pn 接面二極體空乏區形成後( A)電洞在電中性 p 型區的電位能比在電中性 n 型區內者高( B)電洞在電中性 p 型區的電位能比在電中性 n 型區內者低( C)在空乏區內有一個從 p 型區指向 n 型區的電場( D)電子在電中性 n 型區的電位能比在電中性 p 型區內者高( E)電子在電中性 p 型區的電位能比在電中性 n 型區內者高答案: BE

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例題: pn 接面二極體加偏壓時,若為( A)順向偏壓,空乏區變寬( B)順向偏壓,空乏區變窄( C)逆向偏壓,空乏區變寬( D)逆向偏壓,空乏區變窄( E)逆向偏壓,空乏區不受影響。

答案: BC

例題: pn 接面二極體加順向偏壓時( A)外加電源的正極接 p 型區,負極接 n 型區( B)電流僅為電洞流( C)電流僅為電子流( D)電流僅由多數載子產生( E)電流由電子和電洞共同產生。

答案: AE

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例題:二極體 D 、小燈泡 L 和電動勢為 1.5V 的電池(內電阻可以不計)組成如右圖所示的電路。此二極體的電流 --電壓特性關係如附表所示。已知通過小燈泡的電流為 2.0mA ,則此燈泡的耗電功率約為何? [ 91.指定科考 ](A)0.8mW (B)1.6mW (C)2.2mW (D)2.5mW (E)3.0mW

1.5V D

電壓 (V) 0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

電流 0 0.02μA 0.90μA 41μA 2.0 mA 96 mA

答案: C 說明:由附表知當通過二極體的電流為2.0mA ,其兩端電位差為 0.4V ,因此燈泡兩端電壓為 1.1V ,電功率 = iV = 2.2mW

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0.5 1.0

VD(V)

5

10

iD(mA)

(b)

D

200Ω

(a)

2.0V-

+

例題:圖 (a) 電路中,二極體 D 具有圖 (b) 所示的順向特性曲線,則電阻之端電壓為( A) 1.3V( B) 1.5V( C) 1.1V( D) 2V

3

x y

x y 2

x 10 10(y 0.5) 0.05(y 0.5)

200 0.7 0.5x 10y 5 10(2 x) 5

11x 15 x 1.3

令電阻與二極體兩端的電壓分別為 和 ,因流經電阻與二極體的

電流 同,得

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§11-3 電晶體• 電晶體是具有三個電極的半導體元件,又稱為三極體。

依其結構可分為雙極性接面電晶體( Bipolar Junction Transister ,簡寫成 BJT)及場效電晶體( Field Effect Transister ,簡寫成 FET)兩類。

• 雙極性電晶體:以控制訊號輸入的電流來控制輸出電流的大小。流經電晶體的電流由兩種不同極性的載子所組成,即帶正電的電洞和帶負電的自由電子。

• 場效電晶體:利用電場來控制輸出電流的大小,而且組成電流的載子僅限一種極性,即電洞或是自由電子,故又稱為單極性電晶體。

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一 . 雙極性電晶體

1. 雙極性接面電晶體( BJT)的結構:• 雙極性接面電晶體由三個摻雜濃

度不同的半導體區域組成,分成 pnp 和 npn 兩型。

• 這種電晶體含有兩個 p-n 接面,可視為由兩個 pn 接面二極體,反向背靠背接合組成,其中間的一層稱為基極區 B ,其他兩層分別稱為射極區 E 和集極區 C 。

• 基極區的厚度必須非常薄,約僅 1 微米。射擊區的參雜濃度遠高於基極區,而基極區的參雜濃度又高於集極區。

電路符號

電路符號

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工作模式名稱 E-B 接面 B-C 接面 電流特性 用途

順作用區 順向偏壓 逆向偏壓 IC =βIB 放大訊號

逆作用區 逆向偏壓 順向偏壓 少用

飽和區 順向偏壓 順向偏壓 通路 開關

截止區 逆向偏壓 逆向偏壓 斷路 開關

2. BJT 的工作模式

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3. BJT 的操作原理 - 以 pnp 為例:

EB 間的順向偏壓:

射極區的電洞由於順向偏壓的作用而飄移到基極區,由於基極區很薄,大多數的電洞會繼續擴散進入集極區。

BC 間的逆向電壓:

BC 間的逆向電壓會擴大基極區與集集驅的空乏區,阻止基極區的自由電子流向集極區,但會將擴散進入基極區的電洞大部分掃入集極區,形成集極電流,僅有少數的電洞被基極區流入的自由電子中和掉,形成基極電流。

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4. 通過 BJT 電極間的電流關係:

BJT 在順作用模式下( E-B 接面為順向偏壓, C-B 接面為逆向偏壓),流經三個電極的電流大約保持一固定的比值關係。集極電流 IC 和射極電流 IE 的比值,通常以 α表示之。集極電流 IC 和基極電流 IB 的比值,通常以 β表示之

C C

E B

I I

I I ;

由柯希荷夫的電流節點定律得:

因此E B CI I I

β稱為電流增益,其值約在 約在 80 80 ~ ~ 200 200 之間。之間。

1

或1

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5. BJT 在電路中的接法:電晶體三個電極中任何一極共用,其他兩極為輸入與輸出。其中基極不適合作為輸出端,集極不適合作為輸入端,故共可產生共基極、共射極及共集極三種不同的放大電路。

共基極 共射極 共集極

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6. pnp 電晶體共射極電路的特性曲線:(1) IIBB-V-VEB EB 特性曲線特性曲線

• 如果保持 VCE 的電壓不變,調整輸入電壓 VEB 並量取輸入電流 IB ,可得 pnp

電晶體的 IB-VEB 特性曲線。

• IIBB-V-VEB EB 特性曲線的形狀和特性曲線的形狀和二極體的電流-電壓曲線二極體的電流-電壓曲線相似相似。

• 欲操作電晶體, E-B 接面的順向偏壓必須提高至導通電壓以上。

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(2) IC –VEC 特性曲線

• 如果維持 VEB 不變,相當於維持 IB 不變,調整輸出電壓 VEC 並量取輸出電流 IC ,可得 pnp 電晶體的 IC –VEC 特性曲線。

• 右圖中,當 右圖中,當 VVECEC 甚小時,甚小時,輸出電流 輸出電流 IC 隨 VVECEC 急劇增大,稱為飽和區大,稱為飽和區。• 當輸出電壓 VVECEC 在一定值以上時,輸出電流 在一定值以上時,輸出電流 IC 幾乎為定值,此區稱為順作用區稱為順作用區。電晶體的放大作用,一般使用此區域。輸出電流 IC 與輸入電流 IB 幾乎成線性比例的關係。

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(3) 電晶體的 β 值

在線性作用區,除了 IB 過大的情況外, IC 和 IB 有近似正比的關係。圖中 β約等於 100 。

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7. pnp 操作原理與 npn 的比較:• npn 電晶體的操作原理和 pnp 相同,只是電洞和自由電子的角色互換。

• 在 npn 中自由電子為傳送電流的多數載子。• 由於自由電子對電場的反應較電洞靈敏得多,故在電路

設計時,大多採用 npn 電晶體。

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8. 電晶體的應用:(1) 放大訊號:

Page 47: Ch11  現代科技簡介

RC

RB

+VC +VC

C

E

RC

0V

IC = 0

截止(關)

(2) 數位開關• 如下圖,因基、射極間沒有順向偏壓而截止,在此情況

下,集、射極間處於斷路狀態。

• 如下圖,因電源 VB 提供足夠的順偏導通電壓 VBE ,故集、射極間處於通路狀態。

IB

IC≠0

+VB

飽和(開)

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二 .場效電晶體

1. 場效電晶體的分類:• 場效電晶體(簡稱為 FET)是利用電場來控制電流的大

小,而且組成電流的載子僅限一種極性,即電洞或是自由電子,故又稱為單極性電晶體。

• 場效電晶體依其結構可分為兩類:• 接面場效電晶體( junction field effect transister ,簡稱

為 JFET)• 金氧半場效電晶體(mental-oxide-semiconductor field

effect transisteror ,簡稱為 MOSFET)。• JFET已 為 MOSFET 所取代。和 BJT 相比, MOSFET 可以做得很小,而且製程相當簡單。

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2. 接面場效電晶體 JFET :1) 接面場效電晶體的結構:• JFET 分成兩型: n 通道(簡記為 n-JFET)和 p 通道

(簡記為 p-JFET)。• JFET 有三個電極,分別稱為源極 S 、汲極 D 和閘極

G 。

n-JFET 的結構和電路符號

p-JFET 的結構和電路符號

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2) 接面場效電晶體的原理:

閘極和通道之間的 p-n 接面形成空乏層。當汲極和源極之間的電位差為零時,通道上的電流亦為零。當汲極和源極之間加有電位差 汲極和源極之間加有電位差 VVDS DS 時,驅時,驅動通道上的自由電子而形成電流 動通道上的自由電子而形成電流 IIDD 。加在閘極上的負電壓(相對於源閘極上的負電壓(相對於源極)增加時,會使 極)增加時,會使 p-n p-n 接面的逆向偏壓增大,接面的逆向偏壓增大,空乏層擴大,因此壓縮了因此壓縮了中間通道的截面積中間通道的截面積,使其電阻變大,流經通道的電流隨之減小。因此調因此調整整 VVGS GS 的高低,便能控制電流 的高低,便能控制電流 IID D 的大小。的大小。

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3) P 通道場效電晶體特性曲線:

Page 52: Ch11  現代科技簡介

①截止區

當閘極與源極之間的逆向電壓 VG 增至某一值時,則源極附近的空乏區占滿整個通道,相當於一絕緣體,電流 ID 幾乎為零,此時 VG 電壓稱為切斷電壓。此特性曲線的區域稱為截止區。

Page 53: Ch11  現代科技簡介

② 線性區

當閘極與源極之間的逆向電壓 VG 的量值,尚不致於使源極附近的通道夾止,則當 VD 尚小時,通道的截面積由源極至汲極大約相等,此通道類似一長方形的電阻器,此時 ID 隨源極至汲極的電位差 VD 呈現性增加,稱為線性區。

Page 54: Ch11  現代科技簡介

③ 飽和區

當閘極與源極之間的逆向電壓 VG 的量值,尚不致於使源極附近的通道夾止,若汲極對源極的電壓 VD 過大的話,仍可使得汲極附近通道產生夾止的效果,此時 通道類似一三角型△ABC 結構的電阻。若再增加 VD 的大小,將使得通道夾止的情況往源極方向延伸,產生更大的空乏區,增加通道電阻,因此通道的電流 ID 將維持一固定值。此區域稱為飽和區。

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1) MOSFET 的結構:

n 通道加強模式金氧半場效電晶體( NMOS)的結構和電路符號。

3.金氧半場效電晶體(MOSFET)

Page 56: Ch11  現代科技簡介

p 通道加強模式金氧半場效電晶體( PMOS)的結構和電路符號。

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2) NMOS 的工作原理:

由於閘極帶正電,吸引自閘極帶正電,吸引自由電子積聚在 由電子積聚在 SiOSiO2 2 絕緣層絕緣層的下方,而形成通道。的下方,而形成通道。若 VVGS GS 大於底限電壓 大於底限電壓 VVtt ,且,且在汲極和源極之間加有電在汲極和源極之間加有電壓壓 VVDSDS ,則通道中的自由電,則通道中的自由電子受到外加電場的驅動,子受到外加電場的驅動,形成汲極電流 形成汲極電流 IIDD ,其方向從汲極流向源極,和通道中的電子流方向相反。注意由於 SiO2 為極好的絕緣體,故閘極電流 IG = 0 。

空乏區

Page 58: Ch11  現代科技簡介

3) NMOS 的特性曲線:

VGS 保持定值時, ID

對 VDS 的關係曲線。飽和區的 ID 對 VGS

的關係曲線。

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4.BJT 與 MOSFET 的比較:• MOSFET 如同 BJT 一樣,也具有放大訊號和開關的功

能。• 兩者間的差異在於 BJT 為一以電流控制電流的元件,

而 MOSFET 則是以電壓控制電流的元件。• BJT 的反應速率甚快,但比較耗電;MOSFET 則反應

較慢,但非常省電。• MOSFET 的封裝外觀和 BJT 相似,只能從其型號或經

測試來識別。

Page 60: Ch11  現代科技簡介

§11-4 微電子技術1.積體電路( IC):積體電路是將 電路所需的電子零件連同金屬接線,全部整合製作在一個很小的矽(或鍺)晶片( chip)內。這個小晶片實際上就是一個完整的電路,稱為積體電路( IC)。

積體電路的技術可分為幾個時期

1959年,小型積體電路時期,每晶片含 102 個零件以下。

1965年,中型積體電路時期,每晶片含 103 個零件以下。

1969年,大型積體電路時期,每晶片含 104 個零件以下。

1972年,超大型積體電路時期,每晶片含 105 個零件以下。

1985年,特大型積體電路時期,每晶片含 105 個零件以上。

Page 61: Ch11  現代科技簡介

摩爾 ( Gordon Moore )定律:

積體電路上可容納的電晶體數目,約每隔 18 個月便會增加一倍,性能也將提升一倍,而價格下降一半;或者說,每一美元所能買到的電腦性能,將每隔 18 個月翻兩倍以上。

高登 ·摩爾( Gordon Earle Moore , 1929年 1月 3日出生於美國加利福尼亞州舊金山)是英特爾公司的創辦人之一。

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2. 積體電路 IC 的製作過程:

Page 63: Ch11  現代科技簡介

• 製作 IC 的基礎材料為高純度的矽(或鍺)晶棒,長度約為 1m ,直徑從 15cm 至 40cm 不等。將晶棒切割出厚度約為 0.7mm 的薄片,再將其表面磨拋光成為晶圓。

• 將晶圓先置於 1000 ℃ 至 1200 ℃ 的高溫爐中氧化,在晶圓表面上生長出一層氧化物( SiO2)。然後在表面上塗布一層感光乳劑。

• 將刻畫有電路圖案的光罩置於晶圓上方,以深紫外線作為光源,將電路圖樣印在晶圓上。

• 曝光的感光乳劑形成硬膜,用以保護其下方的氧化物。使用酸或高熱氣體以除去未曝光的感光乳劑和其下方的氧化物,作為摻雜區。完成酸蝕過程後,再使用溶劑將感光乳劑保護層剝除,以露出其下方的氧化層。

Page 64: Ch11  現代科技簡介

• 利用上述光罩和酸蝕的方法,再行蒸鍍一層矽或金屬的薄膜圖樣,如圖上的紅色帶。

• 在預留的摻雜區域攙入雜質原子,使成為 p 型或 n 型半導體,如圖上所示的綠色帶。

• 重複以上的步驟,按需要疊加層數,構成三維的電路結構,最複雜的積體電路甚至加到二十多層。

• 在特留的空隙處,蒸鍍金屬,作為電極或連接導線之用,如圖上所示的藍色斑塊。

• 一片晶圓上可以同時製作出上百個完全相同的晶片。將晶圓上的小晶片切割分離,並焊接上金屬導線,經過封裝測試即成為一片 IC 晶片。

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例題:下列有關半導體的敘述,哪些正確?(A) 不含雜質的純半導體材料,其電子、電洞的密度相同(B) 純的半導體材料溫度越高時,電子、電洞的密度越大(C) 矽半導體加入 5 價雜質,會形成 P 型半導體(D) 二極體的 P 、 N 接觸面形成一空乏區,空乏區的 P 型 部分帶正電(E) PNP 三極體的基極為 N 型半導體。 [92.指定科考 ]答案: ABE

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例題:下列關於半導體性質的敘述中,哪些是正確的?(A)純矽晶中,自由電子為電流載子,但電洞不是(B)純矽晶中若摻入磷的雜質,則成為 p 型半導體(C) p 型矽晶中,電洞為主要的(或多數的)電流載子, 自由電子為次要的(或少數的)電流載子(D) p 型矽晶中有電流流通時,電洞和自由電子流動所形成 的電流,兩者異向。(E) 二極體有整流的功能,乃因晶體內有一內建電場之故。 [93.指定科考 ]

答案: CE

Page 67: Ch11  現代科技簡介

例題:如圖所示的電路中,交流電源的最大電壓為 12.0 V ,理想變壓器的原線圈與副線圈的匝數比為 2 : 1 ,二極體可視為理想的整流器:順向偏壓時,二極體形同短路;逆向偏壓時,二極體形同斷路,電阻 R = 5.0 Ω 。電阻 R 兩端的電位差(或稱電壓) VAB 定義為 VAB = VA -VB , VA 和 VB 分別為 A 點和 B 點的電位。試問下列敘述中,哪些正確? [94.指定科考 ](A) VAB 的最大值為 4.0V

(B) VAB 的最小值為 0 V

(C) 流經電阻 R 的電流為直流(D) 流經電阻 R 的平均電流為零(E) 流經電阻 R 的最大電流值為 0.8A

12.0V R=5.0Ω

2 :1變壓器

A

B

答案: BC

Page 68: Ch11  現代科技簡介

例題:若右圖所示為測量二極體特性曲線的電路圖,則 W ,X , Y , Z 分別代表何種儀器或元件? [95.指定科考 ](A) W :伏特計, X :電阻, Y :安培計,Z : 60 Hz交流電源供應器(B) W : 60 Hz交流電源供應器,X :電阻, Y :伏特計, Z :安培計(C) W :安培計, X :輸出電壓可調變的直流電源供應器, Y :電阻, Z :伏特計(D) W :伏特計, X :安培計, Y :電阻,Z :輸出電壓可調變的直流電源供應器(E) W :電阻, X :伏特計, Y :安培計,Z :輸出電壓可調變的直流電源供應器。

W

X Y

Z

答案: D

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§11-3 超導體

一、超導體• 1908年荷蘭物理學家歐尼斯( Heike Kamerlingh

Onnes , 1853-1926)首次在溫度 4.2K 時將氦液化成功,開創低溫物理的新紀元。

• 1911 年歐尼斯及其助理發現水銀在 4.2K 時電阻突降為零,也就是處在完全無電阻的狀態,這時的水銀稱為超導體 (superconductor) 。

• 週期表內一大半的元素在適當的條件下可成為超導體,但是臨界溫度均極低,大都在 10K 以內,下表是幾種較常見元素的超導體臨界溫度( TC),銅、銀及金是最佳導體但並不具超導性。

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超導體 TC(K) 超導體 TC(K)

Al 1.196 Sn 3.722

Ga 1.083 Ta 4.470

Hg 4.153 Ti 0.390

In 3.408 V 5.300

Nb 9.260 W 0.015

Pb 7.103 Zn 0.850

常見元素的超導體臨界溫度( TC)

Page 71: Ch11  現代科技簡介

5.縱使科學家極力尋找合金材料試圖提高臨界溫度,但成就有限,例如當時發現的 Nb3Ge 到達 TC=23.2K 已被認為到達了極限。

6. 1986 年瑞士 蘇黎士 IBM 實驗室的科學家貝諾茲( Johannes Georg Bednorz ,德國人)及繆勒( Karl Alex Müller ,瑞士人)發現鑭鋇銅氧化物 Ba-La-Cu-O 可在 30K 形成超導體,這是個令人振奮的發現,一般而言金屬氧化物為絕緣體,而上述的合金氧化物竟可成為超導體,此發現使沉寂已久的超導體物理研究再度活絡起來。

Page 72: Ch11  現代科技簡介

二、高溫超導體

1. 1987 年我國旅美科學家朱經武及吳茂昆,發現釔鋇銅氧化物 YBa2Cu3O7 竟可在高達 92K 的溫度下成為超導體,稱為「高溫超導體」,其特點是只需要利用液態氮(液化溫度約為 77K )就能產生超導體。以往欲使物質成超導體需使用液態氦 (4.2K) 降溫,不但成本高技術也難。所以朱經武、吳茂昆的發現極其重要,使超導體具有大量利用的遠景,也因為冷媒從 4.2K 的液態氦換成極易獲得、成本極低的 77K 液態氮,而開啟了高溫超導體研究的熱潮。

2.目前的努力已發現某些合金氧化物可在 125K 下形成超導體。唯因此等氧化物抽成線材製作不易,加上穩定性仍有待克服,因此距離大量實用尚有一段距離。

Page 73: Ch11  現代科技簡介

三、超導體的應用

1. 超導體的這兩項特性─零電阻和永久電流,應有巨大的用途,例如用於製作輸送電力的電線,因無電阻,而不致於生熱耗損電能;也可用於製作高效率的強力馬達和發電機等。但當時所觀察到純金屬的超導轉變溫度都極低,必須使用昂貴而且稀少的液態氦做為冷卻劑,不符經濟效益。另外在超導體內引發的電流,有其上限(稱為臨界電流),超過此上限,超導態立即消失,恢復具有電阻的正常態。因此超導體的應用研究,在初期時頗受挫折。

2. 一九五○至七○年代,物理學家發現有些金屬化合物(例如NbN 、 Nb3Ge 等)的超導轉變溫度較早期的純金屬超導體提高了二十度左右,而且臨界電流相當高,有實用價值。這類的超導金屬化合物,已被用於製造工業用的超強磁鐵。前述的醫療用核磁共振儀,也是應用這類的超導磁鐵。

Page 74: Ch11  現代科技簡介

3. 近年來,有些工業先進國家已積極研究利用超導體產生的超強磁力,來發展新世紀的捷運工具─磁浮車,不但行駛時平穩安靜,而且非常快速。

4. 一連串新型的金屬氧化物超導材料陸續被發現,這種「高溫超導體」獲得科學家們高度的興趣和重視,是因為僅需使用遠較液態氦廉價而且供應無缺的液態氮做為冷卻劑,便可使其進入超導態,具有很大的經濟和實用價值。但這類材料質脆,不易製成線狀,是其缺點。

5. 超導材料轉變溫度的再提升,乃至企圖製出室溫超導體,是目前科學家們努力以求的目標。 如果能將產生超導的溫度提高到室溫附近,則其應用之遠景真是不可限量,目前尚做不到這一點,其主要的原因還是由於高溫超導的基本物理原理尚未完全了解。目前仍有許多科學家繼續研究,想克服種種因難,並欲充分了解其物理原因,相信高溫超導體應用遠景是樂觀的。

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§11-4 人造光源

一、前言• 早在石器時代,人類就能以敲擊火石產生火花,進而引燃易燃物產生火光,我國燧人氏也發現鑽木可以取火,這些可說是最早的人造光。之後游牧民族以容器裝動物油脂,點燃浸在油脂中的棉線等纖維用來照明,就演化成更方便使用的煤油燈。

• 羅馬人開始以油脂、蠟等材料製成固體的蠟燭,成為人類的主要照明工具,並一直盛行至十八世紀。之後以點燃氣體燃料發光的設備,如煤氣燈,則在十八世紀末引入城市,它的好處是燃料可透過管線送到各家庭及街頭照明,但有許多不便與危險,因此煤氣燈及煤油燈照明的時代,沒多久即被後來發明的電燈與日光燈所取代。

• 之後科學家又發明用途更廣的人造光源,如雷射與發光二極體。

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二、電燈與日光燈• 1879 年愛迪生( Thomas Alva Edison ,美國人, 1847-

1931)發明電燈,使得人造光照明進入一個新的紀元。愛迪生發明的電燈,燈泡的燈絲是由細碳線做成,約可發光數十小時。其後經過不斷的研究改進,燈泡的燈絲才改由很細的鎢絲製成。由於鎢絲熔點高達 3400℃(鎢絲溫度約達 2500 ℃ 時即可達到熾熱狀態而發白光),燈泡內又充以不易與鎢發生化學反應的氮氣或氬氣,因此鎢絲燈泡可使用較長時間而不必經常更換。

• 時至今日,鎢絲燈泡仍然被廣泛使用。事實上發光的方法之一即為加熱發光,例如將金屬加熱到達攝氏數百度高溫時,物體即可產生熱輻射,其初始光譜大部分為紅外光,溫度再增高則可見其色光由暗紅而亮黃,最後金屬到達白熾狀態而輻射包含各種色光的白光,故常稱鎢絲燈泡的電燈為白熾燈,其所發的光稱為白熾光。

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• 科學家在十九世紀末就了解陰極射線管內因源自負極的電子流撞擊,而使鄰近陽極的低壓氣體發出色光, 1930 年代利用此低壓放電的原理來發光的日光燈才開始問世。

• 常見的日光燈主要是將抽成低氣壓的玻璃管內封入水銀蒸氣,玻璃管壁並塗上一層螢光材料(如硫化鋅),接通電流後電極射出電子撞擊水銀蒸氣,水銀原子吸收電子能量後成受激態,躍遷回到基態時發出肉眼看不見的紫外光,紫外光被螢光材料吸收後便會發出接近白光的螢光,所以日光燈也稱為螢光燈。日光燈不像鎢絲燈發光時產生大量的熱量而耗費大部分的電能,因此日光燈遠較白熾燈省電。

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三、雷射1.雷射簡介 雷射一詞源自英文 light amplification by stimulated

emission of radiation ,簡寫為 laser ,故音譯為雷射,其原意為受激發射之輻射光放大。雷射的發明起源於原子能態躍遷理論的研究,愛因斯坦早在 1915 年發表的輻射理論論文中預測受激發射之輻射光放大的可能性,因而開啟了雷射的研究與發展。

2.雷射的原理• 如同氫原子一樣,各種元素原子的能態是不連續的而形成能階,其最低能階為基態,其他的能階統稱為受激態。在室溫而未受干擾的情況下大部分原子處於基態,但高溫或受其他粒子(包括光子)的撞擊時原子就可能處在受激態。大部分元素或物質的原子一旦處於受激態,約在 10 - 8 秒躍遷至基態。

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• 但有些物質的原子存在著準穩態 (metastable state) ,若此種原子受激躍遷至準穩態,它可停留在此特別的受激態(即準穩態)約 10 - 3 秒才躍遷至基態;換言之,準穩態的生命期約為一般受激態的十萬倍。

• 但是當一能量恰等於準穩態與基態之能量差的光子經過準穩態的原子時,此原子立即從準穩態躍遷至基態,而且將放射一個對應於該能量差的新光子,此稱為受激發射(stimulated emission) ,或稱為誘發輻射 (induced radiation) 。

• 而原子從一般受激態自發地躍遷至基態,以其能差發射出一個光子,稱為自發射 (spontaneous emission) ,下圖為兩種不同發射方式的圖示比較。

Page 80: Ch11  現代科技簡介

• 雷射的基本原理是設法將大部分的原子激發至準穩態,然後以能量恰當的光子誘發這些原子一起產生受激發射,這時就可產生聚光性佳、強度大的雷射光。

• 1960年美國物理學家梅曼 (Theodore Maiman , 1927-2007) 首次成功製成紅寶石(含有 0.05% 鉻離子 (Cr3+) 的有序排列氧化鋁 (Al2O3) 透明體)雷射。

管的後端為反射平面鏡,前端則為部分透光、部分反射的凹面鏡,凹面鏡可將平面鏡反射而來的光聚焦後反射回去,光子在兩鏡之間來回反射而達到放大數目的功效

Page 81: Ch11  現代科技簡介

• 至於在醫學上,則利用雷射將能量集中在很小的一點上,燒掉不要的組織,提高手術上的精確性,比較不會傷害到周圍的組織,近年來更被應用在治療近視上。

• 功率高達 1000 瓦特以上的雷射已發展成功可用來切割鋼板等堅硬物體,軍事上可用於瞄準器、飛彈導引、通訊及破壞敵方精密設備等。各種波長的雷射在持續開發中,除藍光、綠光雷射相繼問世外,甚至 X 光雷射也已發展成功,這些不同波長的雷射有著不同的用途,我們可以說雷射光未來的應用潛力無窮。

3.雷射的應用• 雷射光具有波長接近單一的單色性、低發散的準直性、高強

度性與相干性強等特性,是極具應用價值的人造光源,除實驗室廣泛使用外(如干涉、繞射等之光源),尚可用於精密測量,拍出具有立體感的圖像。

• 雷射光在光纖管內可以傳送到很遠而不失真,這在通訊上是一大突破。

Page 82: Ch11  現代科技簡介

四、發光二極體

1. 發光二極體簡介• 發光二極體( light emitting diode),簡稱 LED ,是用半

導體做成的固態發光元件,在相同亮度下,耗電量為白熾燈的五分之一以下。

• 它可發出各種不同波長的色光,如紅、橙、黃、綠、藍光,甚或不可見的紅外光等,時至今日汽車的車燈、手錶、電視機遙控器與手機等的燈,大都換成了 LED ,先進國家馬路上的紅綠燈也逐步換成省電的 LED ,光發射二極體幾乎已成現代光電產業不可或缺的重要元件。

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2. 發光二極體的原理• 砷化鎵( GaAs)晶體是一種化合物,具有半導體的特性,稱為 III-V 族半導體。利用這種半導體製成的 p-n 接面二極體,當有電流流通時,由於自由電子和電洞的復合,會發出不可見的紅外光。

• 如果將一定比例的砷原子以磷原子取代,成為砷化磷鎵( PGaAs)的三元半導體,則以這種晶體製成的二極體,可發出紅色或黃色的可見光。

3. 發光二極體的應用• 1962年,美國物理學家霍隆亞克( Nick Holonyak

Jr. , 1928-)發明第一顆能發出可見光的 LED 。早期的發光二極體只能發出紅光和綠光,由於缺少藍光,因此無法合成彩色的圖像。

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• 第一顆藍光 LED 於 1972 年由美國科學家潘克夫( Jacques Pankove , 1922- )發明,但亮度太弱,不具實用價值。 1993 年,日本科學家中村修二( Shuji Nakamura ,1954- )利用氮化銦鎵( InGaN )的三元半導體,製出了首粒高亮度具有實用性的藍光 LED 。 LED 的優點在於它優異的將電能轉換為可見光的發光效率。和白熾燈和日光燈的發光效率相比, 60-100 W 白熾燈的發光效率為 15 lm∕W ,一般日光燈為 100 lm∕W ,但 2006 年利用藍光 LED 所研發出的新款白光 LED ,其發光效率高達 135 lm∕W 。

• LED 的使用壽命估約 35,000 至 50,000 小時,而日光燈約為 30,000 小時,白熾燈則僅約 1,000 至 2,000 小時。由上述看來, LED 不僅省電,也更為耐用,藍光 LED 的發明開啟了二十一世紀新型的照明光源。

Page 85: Ch11  現代科技簡介

§11-5 奈米科技

一、奈米的尺度 奈米( nanometer ,簡寫為 nm)是長度單位的名稱, 1

nm= 10 - 9 m ,大約為一根頭髮直徑的十萬分之一。一個原子的直徑約為 0.2~ 0.4 nm ,故一奈米的長度內約含有 3~ 5 個原子。目前在半導體工業中,已進行商業化量產的最先進 IC 晶片技術為 45 奈米製程,指的是所製成的金氧半場效電晶體的閘極寬度。由於矽晶體內相鄰原子的距離為 0.54 nm ,故在 45 奈米的寬度內約含有 80 個矽原子。雷射光碟片上燒錄的小凹洞,用來記錄數位訊號,其深度約為 100 nm ,寬度約為 500 nm 。在生物界中,病毒的大小一般以奈米表示,細菌的大小以微米( μm)表示。大多數的病毒比細菌小得多,其大小介於 20~ 300 nm之間,一般細菌的大小則約為 1~ 10μm 。

  今天我們所談的奈米科技,係泛指哪些尺寸為 1 至 100 nm 的物質的特性,所衍生出的創新科技。

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二、奈米科技的發展和應用• 在電子工業上,電子元件的製作一直朝微小化的趨勢發展。

現行的積體電路( IC)製作採用光學微影術( optical lithography),因受限於入射光的波長,在晶片上蝕刻的寬度僅能達到約 50nm ,但若使用經過化學處理的 AFM 探針,直接在晶體表面上畫線,則線條的寬度可縮小至 15 奈米。利用這種創新的奈米微影術( nanolithography),將來 IC晶片內所能容納的電晶體密度,可望大為提高,功能更強。

• 當物體的大小縮減至奈米的尺度時,常會呈現出奇異的特性,因而可作為創新的用途。我們以奈米碳管( carbon nanotube)為例來說明。奈米碳管於1991年才正式被宣布發現,它和碳六十同屬於富勒體( fullerene)的族系,其結構如右圖所示。

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奈米碳管為中空的圓柱形,其直徑可小至約幾個奈米,但長度卻可長達數毫米,長度對直徑的比值高達一百萬倍。它的密度是鋼的六分之一,但抗張強度卻是不鏽鋼的十至一百倍。另外,奈米碳管的鍵結能力極佳,彼此很容易結合在一起,形成繩索狀。因此奈米碳管被認為將是未來最佳纖維的首選材料,有可能被廣泛用於超微導線、超微開關、以及奈米級的電線等。

• 奈米結構原本就存在於大自然之中,蜜蜂體內有磁性的奈米粒子,具有羅盤的作用,因此蜜蜂可以辨識方向;蓮花出汙泥而不染的奧秘,即在於荷葉上具有精巧的奈米結構。

• 蓮葉的表面具有大小約 5~ 15 微米細微突起的表皮細胞,表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約 10 奈米的蠟質結晶。蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性,所以當水與這類表面接觸時,會因表面張力而形成水珠,再加上葉面表皮細胞的細微結構的幫助,使水珠與葉面之間的接觸面積更小,因此加強了疏水性,同時也降低了污染顆粒在葉面上的附著力。

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因此當水珠由葉面上滾落時,污染顆粒也跟著被水珠吸附而帶走。這種自我潔淨的效應稱為「蓮花效應」( lotus effect)。衛浴設備的製造商將奈米級的釉藥,塗在衛浴用的陶瓷表面上,可具有防污的效果,就是蓮花效應的應用。

三、物理學在奈米科技發展中的角色• 當晶體的大小縮小至奈米的尺寸時,因其僅由數個或數十個

原子組成,其性質和一般由極多原子組成的晶體有顯著的不同,特別是表面面積對體積的比值變得異常大,因此會產生一些奇異的現象,無法以傳統的物理學來解釋,而必須應用量子物理的理論來說明,所以這些異常的現象又稱為量子效應( quantum effect)。

• 在物理學中,我們習於將物質世界分成為巨觀世界和微觀世界。屬於宏觀世界的物體尺寸在毫米以上,有時也可低到微米,其內部含有的原子數目成千上萬,大到可將該物體視為連續性的介質。

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• 我們所觀測到的物體性質,實際上反映出所有原子集體運動的平均行為,遵守古典物理學的理論,故古典物理學又稱為宏觀物理。但在微觀世界中,我們所探討的對象大多是個別的微小粒子,例如原子或電子等。這些微小粒子的行為無法利用古典物理學來解釋,必須應用量子力學來處理,故量子力學又稱為微觀物理。在奈米尺度的物體,其內所含的原子數目從少到幾個,或多至數百個,因此就統計而言,原子系統偏離平均行為的漲落( fluctuation)變得相當明顯,故顯現出奇異的特性。

• 這些特性無法從古典物理學的理論中得到滿意的解釋,如同微觀物體一樣必須應用量子力學來說明。奈米世界的物體大小介於宏觀世界和微觀世界之間,因此稱為介觀世界(mesoscopic world)或稱為中觀世界。奈米科學的研究即致力於解答當物體尺寸微小化後,所產生的基礎物理問題,所發展出的物理理論稱為介觀物理學。

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四、奈米科技研究的現況和對人類的影響

如前節所述,奈米科技研究的對象是幾個或多至幾百個原子所組成的系統,物理學從過去至今所發展的理論,不是用於研究極多原子所組成的晶體或物體,就是用於研究比原子還小的基本粒子,奈米系統是物理學家近年來正在進行中的一項新興研究。它也是化學和生命科學的熱門研究課題。奈米科技逐漸形成為跨領域的學問,需要結合物理、化學、和生物,甚至數學和資訊等領域的知識。奈米科技的研究將可能產生新知識和新發明。它的應用將對電子產品、醫療診斷、機械工具、…等項造成衝擊,幾乎波及到我們日常生活的各個層面。在人類文明的發展史上,它被預期為繼蒸汽機-內燃機-電子資訊之後的再一波工業革命,對人類生活的福祉將有重大而深遠的影響。

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