章 第 四 現代科技簡介

目 錄 　第一節 半導體的發現及其應用 　第二節 人造光與雷射 　第三節 平面顯示器 ※第四節 超導體 　第五節 奈米科技

半導體的發現及其應用 一 第 節

半導體 半導體是導電性介於導體與絕緣體之間的 一種材料，常見的有矽、鍺、砷化鎵等晶 體，但以矽元素用途最廣也最為重要。在 這些晶體內加入少量的雜質原子，可以大 幅地改變它們的導電能力。 半導體

n型半導體與p型半導體 在純矽中摻雜少量的砷或磷(最 外層有五個電子)，就會多出一 個自由電子 ，這樣就形成n型半 導體；如果在純矽中摻雜少量 的硼(最外層有三個電子)，反而 少了一個電子，而形成p型半導 體(少一個帶負電的電子，可視 為多了一個正電荷稱為電洞)

積體電路 製造電子元件時，通常都是以矽為基板材 料，將其表面不同部分依製程順序分別暴 露於滲入之雜質化學品、氧氣、金屬原子 等，以依序形成各種n型與p型區、氧化矽 絕緣體及金屬極等。利用相同的製作過程， 可將數以千萬計的電晶體、二極體、電阻 器及其他電路元件，全部整合在一塊矽基 板上，成為積體電路。

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發光二極體 發光二極體是半導體材料製成的發光元件， 材料大多使用元素周期上的III-V族化學元 素，如早期的磷化鎵、砷化鎵等乃至目前 高亮度LED的磷化鋁鎵銦、氮化鎵銦。

發光二極體 發光原理是在發光二極體的正負極兩端施 予電壓，當電流通過時，會使得電子與電 洞結合，結合的能量便以光的形式發出。 二極體構造

發光二極體 LED因使用材料不同，其內電子、電洞占 的能階也有所不同，結合後釋出的光子能 量不同，因而產生不同波長的光，也就是 不同顏色的光。 各色 發光二極體

發光二極體日常生活應用 白光LED發光效率的大幅提升(最大可達 150流明/瓦)，及商品價格的降低，未來 白光LED將逐漸取代巫司燈泡及日光燈 管等傳統燈具，成為夜間照明的主要光 源。 高亮度 白光二極體

太陽能電池 太陽能電池是一種將光能轉變成電能的 光電元件，因外型為平板狀，故又稱 為太陽能板或太陽 能光電板。 太陽能電池晶片

太陽能電池 太陽能電池主要的製作物 件為半導體，以矽元素佔 多數；除了矽材料以外， 亦有用其它的半導體材料 來製作。若以材料結晶類 型來分，太陽能電池可分 為單晶、多晶和非晶三大 類。 一般家庭屋頂上 架設的太陽能電池

太陽能電池 發電原理 典型太陽能電池結構為一個p 型矽半導體與一個n型矽半導 體結合，形成pn接面。上、下 面在鍍上金屬當作電極。上層 金屬電極為柵欄狀的，使光線 射到pn接面上。當光照射到pn 接面時，p型和n型半導體因吸 收太陽光而產生電子-電洞。

太陽能電池 發電原理(續) 而pn接面的空乏區所提供的內建電場會去推動 電子及電洞；內在電場施力於自由電子，推向 n-型矽的 一邊。內在電場也會施力於電洞，使 其向p-型矽移動。自由電子和電洞往相反方向 移動，在pn接面兩端產生電位差。因此當pn接 面處上下兩個電極連接至外在電路時，電錄便 提供一條路徑，使電子得以通過並在pn接面的 另外一端與電洞再次結合，電路中便產生電流。 HOME

人造光與雷射 二 第 節

人造光的發現及其發展 1879年愛迪生發明以碳絲為燈芯的燈泡。 1938年螢光燈的出現。 1960年第一個利用紅寶石製成的紅光雷 射，由梅曼成功開發。 2006年隨著高亮度LED出現，人造光進 入一個發光效率更好、使用壽命更長的 時代。

照明技術演進圖

雷射 雷射的產生主要由於電子在 不同能階間跳躍時，所釋放 的能量，而且誘發光子打到 受激態的電子，使其釋放出 另一個一模一樣的光子，但 還要使時間持續，使大部分 原子都處於不穩定狀態，只 要少量光子便能引起持續連 鎖反應，便可形成雷射光。 光束集中的 紅光雷射

雷射的特性與應用 HOME

平面顯示器 三 第 節

液晶 液晶是介於固態和液態之間 的一種物質，於1888年由奧 地利的植物學家雷尼哲，在 測量有機物熔點時，無意中 發現在熔解過程時，所出現 的 一種狀態，只出現在某一 特定溫度內，這種同時具有 固態晶體的光學特性，及液 態的流動性狀態被稱為液晶。 液晶態物質加熱時之分子排列示意圖

液晶顯示器 液晶顯示器的主要構造可分 為背光板、偏光板、液晶層 及濾光片。背光板發出均勻 的白光，經由偏光板成為偏 振光，偏振光會因為液晶分 子排列方向不同而產生通過 或被遮下的作用。通過的白 光，再經由紅、綠、藍的濾 光片，形成光的三原色，進 而組成畫面色彩。 電腦用的平面顯示器

液晶顯示器的應用 配有液晶螢幕的數位相機 具有液晶螢幕的行動電話 液晶電視

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電漿原理 若氣體分子被高動能的電子衝撞或對氣 體持續加熱，可使電子脫離原子核，成 為自由電子，這過程稱為電離，此時的 狀態即為電漿態。

電漿原理 因為電子的游離，使部分失 去電子的原子，變成帶正電 的正離子，而得到電子的原 子，則變成負離子。因此電 漿內部同時具有正、負電離 子，但因數量相等，故總電 量維持電中性，而這些帶電 離子使電漿具有較高的導電 性，可利用電磁場來加以控 制。 呈現電離狀態的電漿球

電漿原理 由於對氣體加熱至及高溫時，氣體分 子便會分離成正、負電離子，因此電 漿態通常被視為物質的第四態，即氣 態再升溫就變成電漿態。電漿普遍存 在宇宙中。

存在宇宙中的電漿 地球上空的電離層衛星顯像圖 南北極光 太陽表面活動之一的太陽風

電漿的應用 1.人工鑽石 在實驗室中利用高溫高壓將碳原子，以微 波能量把電漿雲中的碳解離出來，使其沉 積於鑽石或矽表面，而形成合成鑽石。它 具有和真鑽石一樣的化學組成，但仍有其 可供辨識之特徵。

電漿的應用(續) 2.奈米塗料 由於環保意識抬頭，近年來工研院材料開 發了利用直流電漿製造奈米粉體設備及技 術，並搭配獨特之表面改質及分散技術， 生產「抗紫外線疏水自清潔奈米」、「奈 米可見光觸媒」及「遮蔽近紅外光奈米節 能」等塗料。

電漿的應用-電漿電視 電漿電視即電漿顯示器， 簡稱為PDP電視，利用數 十萬個微小螢光燈管同時 產生放電作用(每一個微 小的螢光燈管稱為一個畫 素或像素，畫素愈多，解 析度愈好)，在撞擊管內 不同顏色(紅、藍、綠)的 螢光體，形成各式各樣的 影像。 色彩鮮明的 電漿電視

電漿的應用-閃電 當帶電的雲層靠近地面 時，便開始尋找空氣中 的導電路徑，並將空氣 分子游離成離子狀態， 幫助導電，當導電通路 形成後，便瞬間大量放 電，這瞬間的通路即是 電漿態，這就是閃電。 大自然常見的閃電也存有電漿態

有機發光二極體在平面顯示器的應用 有機發光二極體主要原理為使正負電荷 再結合時，將其能量釋放出來，並以光 的形式釋放；不同有機化合材料會釋放 不同顏色的光線，並透過電路及材料控 制發光點及顏色，呈現影像。

OLED與LCD的比較

有機發光二極體在平面顯示器的應用 OLED相較LCD液晶 具有更多的優點，為 自發光、視角更廣(高 達165°)、反應時間更 短、高亮度、高效率、 省電(低電壓)、厚度薄 (2mm)、可撓曲性與 大尺寸、不會有LCD 的影像殘留。 厚度更薄的OLED顯示器 具有可撓曲性的OLED材料

有機發光二極體在平面顯示器的應用 OLED顯示的影像手錶 利用OLED 發光的鍵盤 OLED照明燈 HOME

超導體 四 第 節

超導體的特性-零電阻 當呈現為超導狀態時須在臨界溫度(TC)以 下，此時因為沒有電阻，所以電流可以持 續傳輸，稱為永久電流，但是電流不能太 大，有一上限值，稱為臨界電流(IC)。

溫度超過臨界溫度後，電阻上升為一般導體的情形 超導體的特性-零電阻 一旦溫度上升至 臨界溫度以上或 是電流超過臨界 電流，均會使超 導現象消失。 溫度超過臨界溫度後，電阻上升為一般導體的情形

超導體的特性-反磁性 1933年德國科學家 麥士納發現超導體 的反磁性，即對外 加磁場產生排斥作 用，可使金屬因排 斥力而懸浮於空中， 這是超導體特性之 一。 置於金屬下方的超導體，因排斥作用而使金屬磁鐵懸浮於空中

超導體的應用 50至70年代，陸續 發現其他金屬化合 物，其超導溫度逐 漸上升，開始具有 實用價值，現在已 被用於工業用途或 是醫療用途。 超導體磁浮列車

奈米科技 五 第 節

奈米科技 奈米是長度單位的名稱， 1nanometer= 10-9m=1nm，大約是10個氫原子排在一起 的寬度，奈米科技主要是研究1~100nm範 圍的材料特性與相關應用。

大自然中的奈米結構 最具代表性的就是蓮 花效應，蓮花之所以 能夠出淤泥而不染， 就是因為其表面具有 大約10奈米的疏水性 纖毛，這些臘質纖毛 是不沾水的，使荷葉 具有自我潔淨的功效。 荷葉上的蠟質纖毛不沾水，使荷葉上的水滴呈球狀

大自然中的奈米結構 鯨具有疏水性奈米級孔洞的皮膚表面，具有潔淨與自我保護 體內具有磁性奈米分子的蜜蜂，飛再遠也不怕迷路 HOME 鯨具有疏水性奈米級孔洞的皮膚表面，具有潔淨與自我保護 體內具有磁性奈米分子的蜜蜂，飛再遠也不怕迷路 眼睛具有奈米纖毛的蛾，可降低光的反射