知識力

❒ 化合物半導體材料
發光二極體(LED：Light Emitting Diode)都是使用「化合物半導體」製作，二種以上的元素鍵結形成的半導體，稱為「化合物半導體」。例如：砷化鎵(GaAs)屬於三五族化合物半導體(3A族的鎵與5A族的砷)、硒化鎘(CdSe)屬於二六族化合物半導體(2A族的鎘與6A族的硒)等固體材料，化合物半導體的發光效率極佳，因此我們大多利用它來製作發光元件，例如：砷化鎵(GaAs)是屬於「直接能隙(Direct bandgap)」，所以砷化鎵晶圓所製作的元件會發光，一般都用來製作發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)等發光元件。

❒ 直接能隙(Direct bandgap)
「直接能隙(Direct bandgap)」是指電子吸收了外加能量以後可以由價電帶跳躍到導電帶，而且電子可以「直接」由導電帶落回價電帶，因此能量可以完全以「光能」的型式釋放出來，如＜圖一＞所示，所以發光效率很高，例如：砷化鎵(GaAs)的能帶結構就是屬於直接能隙。
在「直接能隙」的半導體中，電子在由導電帶落回價電帶的行為，可以想像成一個人由頂樓「直接」跳到一樓，由於能量沒有被轉換掉，所以落地以後會受傷。

圖一　直接能隙示意圖。

❒ 化合物半導體的種類
化合物半導體的種類很多，只要具有兩種以上的元素混合起來就可以形成化合物半導體，但是必須遵守「八隅規則」，也就是每一個原子的周圍必須都有八個鍵結電子，因此化合物半導體有以下幾種：
➤三五族「二元素」化合物半導體：元素週期表上3A族任選一個元素與5A族任選一個元素混合形成，例如：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、氮化鎵(GaN)等，請自行參考＜圖一＞的元素週期表。
➤三五族「多元素」化合物半導體：元素週期表上3A族任選二個以上的元素與5A族任選二個以上的元素混合形成，例如：砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、砷化鋁銦鎵(AlInGaAs)等。只要固體中所含有的3A族原子總數與5A族原子總數相等即可。
➤二六族「二元素」化合物半導體：元素週期表上2A族任選一個元素與6A族任選一個元素混合形成，例如：硒化鎘(CdSe)、硫化鎘(CdS)、硒化鋅(ZnSe)等。值得注意的是，元素週期表上2A族元素包括：鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)，而上面所提到的鎘(Cd)、鋅(Zn)等元素其實是在元素週期表中央的B族元素(過渡金屬)，但是它們的性質仍然與2A族元素類似。

圖二　元素週期表。

【問題討論】
科學家們製作出那麼多種類的三五族與二六族化合物半導體，目的是什麼呢？
［解］
答案很簡單，當我們對不同的化合物半導體材料施加電壓時，會使化合物半導體發出「不同顏色的光」，科學家們利用這種原理可以製作出不同顏色的發光元件，例如：交通號誌紅綠燈的紅光(銻化鋁AlSb)、黃光(砷化鋁AlAs)與綠光(磷化鋁AlP)等發光二極體(LED)。
 

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