理解導電原理 半導體×人體 智慧結合
2022.06.01

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》

文:劉心 部分圖片:星島圖片庫