第十三章 現代科技簡介 13-1 物理與醫療 13-2 超導體 13-3 半導體 13-4 人造光源 13-5 奈米科技

13-1 物理與醫療(1/5) 聲學的應用 超聲波顯像術是偵測聲波在人體內器官或組織的反射 訊號(回聲)，利用電腦記錄探頭的位置、超聲波去回的 時間（計算深度）、回聲訊號的強度，構建出二維或 三維的圖像。

13-1 物理與醫療(2/5) 光學的應用 內視鏡是一條可彎曲的由光纖 構成的細長軟管，可經由口腔和 食道進入體內，利用光纖內部的 全反射作用，而得以看見體內器官的狀態。

13-1 物理與醫療(3/5) 熱學的應用 耳溫槍、紅外線熱像檢測都是利用熱輻射的原理測知溫度。

13-1 物理與醫療(4/5) 電磁學的應用 核磁共振造影術（MRI），是利用 水分子在電磁場中，因其氫原子的 能階發生變化而測得訊號，利用 電腦處理數據而呈現體內器官或組織的影像。

13-1 物理與醫療(5/5) 輻射能的應用 電腦斷層掃描（CT），是利用X光對人體的穿透性， 結合電腦而顯出影像。

13-2 超導體 (1/2) 超導體的特性 某些物體若使其冷卻至某一溫度（轉變溫度）以下時， 則其電阻完全消失，稱之為超導態。 超導體的特性：零電阻、永久電流、完全的反磁性。

13-2 超導體 (2/2) 高溫超導體 一般所稱的高溫超導體，是含有某些特定金屬的 陶瓷氧化物，其超導轉變溫度高於液態氮溫度(77 K)。

13-3 半導體 (1/17) 半導體的導電性能 1.半導體的導電能力介於導體和絕緣體之間， 例如矽、鍺等晶體。 2.導體、半導體、和絕緣體之間的導電性能的差異， 其原因主要在於物體內部的原子之最外層的價電子 所受束縛力的強弱有所不同。 3.當溫度升高或電場強度加大時，都可使半導體的 導電能力增加，這是半導體的電學特性之一。

13-3 半導體 (2/17) 本質半導體 1.矽(或鍺)的共價鍵結合相當穩定，但少數鍵上的價電子 由於有較激烈的熱運動而得掙脫束縛，形成自由電子。 電子脫離後，在原來的鍵上留下空位，稱為電洞。 2.在純矽(或鍺)晶體內，電洞和自由電子的數目相等。

13-3 半導體 (3/17) 摻雜 1.在半導體的晶體內摻入微量的雜質原子， 能大幅度提升半導體的導電能力。 2.這種摻入雜質原子的過程，稱為摻雜。

13-3 半導體 (4/17) p型半導體 1.在純矽(或鍺)晶體內摻入 三A族(硼、鋁、鎵)的原子， 會使晶體內電洞數目遠超過

13-3 半導體 (5/17) n型半導體 1.在純矽(或鍺)晶體內摻入 五A族(磷、砷、銻)的原子， 會使晶體內自由電子數目遠

13-3 半導體 (6/17) p-n接面二極體-1 1.當兩型半導體接合時， n邊的自由電子擴散至 p邊，與p型的電洞結合 移動載子而形成空乏區。 2.pn接面的附近因電子、電洞的結合而留下離子。 p邊為帶負電的受體離子；n邊為帶正電的施體離子。

13-3 半導體 (7/17) p-n接面二極體-2 3.空乏區的正負離子構建了 內建電場，導致少數載子 移動，形成漂移電流(Is)。 4.當二極體斷路時，由多數載子形成的擴散電流(Id)與 少數載子的漂移電流(Is)達到動態平衡，即Id = Is 。

13-3 半導體 (8/17) 二極體的偏壓 1.若二極體p邊接正極、n邊接負極，稱為正向偏壓。 這將使外加電場抵銷部分內建電場，導致空乏區變窄、 擴散電流Id>漂移電流Is，電路成通路狀態。 2.若p邊接負極、n邊接正極，稱為反向偏壓。將使 外加電場與內建電場方向一致，導致空乏區變寬、 擴散電流Id=0，電路成斷路狀態。

13-3 半導體 (9/17) 二極體的特性曲線 I (mA) 正向偏壓 V (mA) 反向偏壓 增加，電路成導通狀態。 2.當二極體反向偏壓時，仍有極弱的逆向電流，此為逆向 飽和電流，電路成斷路狀態。 [註]：二極體不遵守歐姆定律。

13-3 半導體 (10/17) 二極體的電路符號與功能 1.二極體的電路符號 2.二極體的功能 因為二極體有單向導電的特性， 所以具有整流的功能。

13-3 半導體 (11/17) npn v.s. pnp npn 電晶體 pnp電晶體 [問題]：雙極性電晶體有哪三個電極?

13-3 半導體 (12/17) 雙極性電晶體(BJT)的工作原理 [問題1]：工作時，BJT的射基極接正向偏壓，集基極接 逆向偏壓，這將引起空乏層寬度有何變化? [問題2]：承上題，這樣的接法將幫助射極、 集極的哪一種載子流動?

13-3 半導體 (13/17) 電晶體的功能 – 放大訊號 1.集極電流IC和基極電流IB的比值稱為電流增益β。 [問題]：輸入訊號 Vin和輸出訊號 Vout的相位有何關係?

13-3 半導體 (14/17) 電晶體的功能 – 開關

13-3 半導體 (15/17) FET v.s. BJT 1.金氧半場效電晶體(MOSFET)為電壓控制電流的元件， 2.增強型MOSFET分成n通道(NMOS)和p通道(PMOS) 兩種。 3.MOSFET與BJT一樣，也具有放大訊號和開關的功能。 4.MOSFET的反應速率雖然比BJT慢，但非常省電。

13-3 半導體 (16/17) NMOS v.s. PMOS [問題]：兩種電晶體的載子各為何?

13-3 半導體 (17/17) MOSFET 的工作原理 [問題1]：右圖中NMOS 的四個電極S、G、D、B， 各扮演何種角色? [問題2]：欲建立右圖中的 NMOS通道，閘極需施加 何種電壓?通道內是何種 載子流動?電流的流向為何? [問題3]：為何通道呈三角形?

13-4 人造光源 (1/4) 光的來源 從物理機制來看，光的來源可分成四種： (1)核反應躍遷 γ射線 (2)熱輻射 白熾光 (3)電子能階的躍遷 冷光 (4)帶電粒子的加速度運動 涵蓋紅外線、可見光、紫外線、和X光的波長範圍

13-4 人造光源 (2/4) 冷光燈 冷光的產生方法有電致冷光和光致冷光兩種。 日光燈的發光原理： 因碰撞被激發的水銀原子，降回至基態時，輻射出紫外光的光子。這些光子入射燈管內壁上的螢光劑 。塗劑內的原子吸收光子後，再放射出可見光。

13-4 人造光源 (3/4) 雷射光 雷射光是單一波長的同調光源，具有準直、 光度強、光束不發散的特性。

13-4 人造光源 (4/4) 發光二極體(LED) III-V族半導體摻雜後，可成為發出可見光的發光二極體。 白熾燈、日光燈長久。

13-5 奈米科技 (1/4) 奈米的尺度 奈米（nanometer，簡稱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。

13-5 奈米科技 (2/4) 掃描穿隧顯微鏡 (STM) 掃描穿隧顯微鏡的鑑別率可高達0.02 nm，可以清楚地 顯現導電晶體表面的原子排列圖像。 STM的應用僅限於可導電的晶體表面，在 絕緣體的表面上無法發揮功效。

13-5 奈米科技 (3/4) 原子力顯微鏡 (AFM) STM和AFM統稱為掃描探針顯微術，不僅用於 顯示原子圖像，也可用於驅動或操控原子。 原子力顯微鏡（AFM），可適用於任何物體的表面。

13-5 奈米科技 (4/4) 奈米科技 奈米科技研究的對象是僅由數個或數十個原子組成的 系統，是一門新興的學問。 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（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。