理解導電原理 半導體×人體 智慧結合

今期熱話

半導體在我們的生活無處不在，基本上只要一個電子裝置內含晶片（chip）或集成電路（integrated circuit，IC），就很大機會以半導體製成。因此，電話、電腦，以至相機、遊戲機等等，所有智慧型技術（如物聯網、AI、5G）都牽涉到半導體。

然而，大家又知不知道半導體如何運作？為甚麼我們稱之為「半導體」？今期我們就嘗試在這個廣大的領域深入淺出，同時看看半導體技術如何與人體結合，展現更多可能性。



認知：半導體——一半的導電能力？

大家或許都聽過「電導體」（conductor）和「絕緣體」（insulator），前者導電，後者則不能，而「半導體」（semiconductor）的導電特性就是介乎兩者之間。但怎樣定義「一半」的導電能力呢？我們須要重溫一下之前有關核聚變的專題（見5月18日「人造太陽」）。

離域電子與電流

還記得原子內有原子核，當中包含質子和中子，而電子則圍繞原子核轉嗎？其實，電子的軌迹並非完全隨機，高能量的電子會在較外圍的軌迹運行，而當電子距離原子核愈遠，電磁力就會愈弱，從而較容易脫離原子本身，成為離域電子（delocalized electron）。離域電子能夠自由流動，因此當連接電池時，電壓會令這些電子往一個方向流動，形成電流。電導體就是擁有大量離域電子，而絕緣體則缺乏。

我們亦可以能量角度分析。根據量子力學，電子的能量是量子化且不連續的，即是電子不能有任意能量，有一些能量值是禁止的。原本每一個粒子都有特定能階（energy level），即是電子的能量只能是這些能階的數值；但當我們宏觀地看整個物料時，由於一個物料有很多電子，它們有相互作用，故一個物料會有很多能階，相加而成後就會形成能帶結構（energy band structure）。

傳導帶與價帶之間

上文提到的離域電子擁有較高能量，它們會處於傳導帶（conduction band），能夠導電；而大部分仍然受原子核約束的電子則處於價帶（valence band）；至於那些禁止的能量值就會成為禁帶（forbidden band），禁帶會分隔傳導帶與價帶。禁帶愈闊，即是傳導帶與價帶之間的能隙（energy band gap）愈大，那麼要把電子由價帶提升到傳導帶，就需要更多能量。

‧絕緣體：不導電，正是由於能隙大，在室溫下沒有足夠能量令電子躍升至傳導帶，因此沒有足夠離域電子來導電。

‧電導體：傳導帶與價帶有重疊，因此不用特地提供能量已經有充足離域電子。

‧半導體：在絕緣體與電導體之間，價帶和傳導帶之間有一個不太大的能隙，本來不太能導電，但只要我們提供適當能量，就能令電子進行躍升，從而可以導電。



如何提升半導體的導電能力？

從圖一，我們可見只要克服到Eg的值，就能使半導體成為導電物料。這意味着我們可以如開關掣般控制半導體，從而對電路或晶片作出指令，但下一個問題是，除了加熱，我們如何提供能量或製造離域電子，令半導體導電呢？這裏，我們須要進行一個名為摻雜（doping）的方法。

從名稱推測，似是一個混雜不同物料的做法；就以最常用的半導體——矽（silicon）作為例子解說。我們知道只有外圍電子才有機會成為離域電子，因此，以下分析只考慮外圍而非全部電子。

矽分子→磷分子

矽的原子序數（atomic number）為14，擁有4個外圍電子，由於分子和分子之間能夠通過外圍電子連結起來（稱之為共價鍵，covalent bond），因此每個矽分子會與鄰近4個矽分子通過共價鍵連成一個更穩定結構。然而，如果我們把其中一個矽分子換成磷分子（phosphorous，原子序數為15，有5個外圍電子），它與鄰近4個矽分子連結後，仍然會剩下一個外圍電子，這個電子與原子核的吸引力會變得特別弱，從而容易躍升至傳導帶。

矽分子→硼分子

反之，如果我們把矽分子換為硼分子（boron，原子序數為5，有3個外圍電子），它需要借助周圍的一顆電子才能與鄰近4個矽分子連結，外圍就會少了一個電子，或換句話說，多了一個正極電荷，這個電荷同樣能作導電之用。我們會因應多了一個負極電子或正極電荷，分別稱之為N型摻雜（N-doping）和P型摻雜（P-doping），而磷和硼亦分別叫作N型摻雜劑（N-dopant）和P型摻雜劑（P-dopant）。

摻雜劑→導電

在能量角度而言，以N型摻雜為例，額外的一個外圍電子會在能量帶圖表中產生一個新的能階，與傳導帶距離極近，因此電子能輕易跳至傳導帶。可以想像，只要我們加入足夠摻雜劑，就能產生大量額外電子或正電荷，從而製造離域電荷來導電。當我們巧妙地排列N型摻雜半導體和P型摻雜半導體，就能製造各式各樣的半導體裝置（semiconductor device），例如電晶體（transistor）——在接收信號後作多種加工功能，如放大、調變等。



不是半導體也能導電？

回顧圖一，雖然絕緣體的價帶和傳電帶距離大，但如果我們有辦法把能隙減低，其實有機會導電。早於1977年，白川英樹（Hideki Shirakawa）的聚合物（polymer）實驗中，發現如果把碘（iodine）作為聚合物的摻雜劑，可令原本是絕緣體的聚合物變得可導電。如圖三所示，在特定聚合物加入摻雜劑（D），同樣能夠增加或減少在聚合物鏈（polymer chain）上的離域電子（e-）數量（圖A）。要把鏈的能量降到最穩定的水平，這個電荷周圍的分子結構會產生變化，形成晶格變形（lattice distortion）（圖B）。我們會把電荷和變了形的分子共同稱之為極子（polaron）（圖C），而帶電荷的極子沿着聚合物鏈隨意流動時，就能產生電流（圖D）。



醫療層面的導電聚合物

或許有人會問，當我們已經有矽時，為甚麼還要研究導電聚合物呢？

那是因為，如果要應用在人體或醫療科技，矽的無機半導體（inorganic semiconductor）未必與我們的身體兼容。與電腦不同，我們體內充滿水分，細胞環境亦經常改變，因此如果想要探討體內狀況，就需要能夠在體內仍然順暢運作的晶片。

須與身體組織相同

由於聚合物大多以碳分子為骨幹，與身體組織相同，因此研究導電聚合物變得甚具價值。經過多年研究，專家們陸續發現了更多相關原理，並製造了不同類型的導電聚合物，其中以PEDOT:PSS這種物料最有潛質發展。它除了能導電，還可伸展，即能延展成不同形狀配合身體結構；另外，它在水中、在不同溫度，以及環境中亦能保持分子結構穩定，因此非常適合用以製造可放進人體的晶片。



補充資料

導電聚合物的應用

PEDOT:PSS除了擁有上述提到結構上的優勢，它還可把離子信號轉化為電子信號。在上期的脊髓與電極專題，我們知道身體很多地方都有電傳遞不同訊息，而細胞在有水環境中能令物質分解成離子再導電。因此，要把身體信號接收並傳到電腦，就須進行離子與電子的轉換，其中一個方法就是通過氧化還原反應（redox reaction）。PEDOT:PSS正正能夠提供一個平台進行此反應，我們稱之為「ionotronic」，即能夠「翻譯」離子信號與電子信號。

反映身體健康狀況

作為「ionotronic」物料，其中一項重要應用是有機電化學電晶體（Organic electrochemical transistors，OECTs）。電晶體能對電子信號作多種加工或分析功能，而「電化學」是指當身體出現化學反應時，就能以電信號形式偵測到。因此，OECTs常用於不同生物傳感器（biosensor），偵測如血糖、多巴胺、尿酸等反映我們身體健康與否的分子濃度變化。即使導電聚合物已有不俗潛力，一些研究團隊想提升裝置在身體的兼容性，甚至研究「有生命的」傳感器，電極甚至加上人工組織，從而更有效地接收身體信號。

矽半導體與基因偵測

雖然導電聚合物比非有機半導體在人體偵測方面佔優，但不代表矽半導體裝置不能在醫療科技中產生效用。倫敦帝國學院一個研究團隊核心關注基因技術，想做到定點照護檢驗（Point-of-Care testing），令每位病人都得到個人化的照顧，因此基因檢測對於分析病理變得重要。過往針對遺傳標記（genetic marker）的偵測非常依賴光學檢測與熒光標記識別，使實驗複雜且不能擴展至大範圍偵測；團隊製造了以矽為基本材料的離子敏感場效應電晶體（ionsensitive field-effect transistor，ISFET），能偵測離子濃度變化，因而嘗試做到簡單且實時的基因偵測。



載自2022年6月1日《S-file STEM/理科》