理解导电原理半导体 ×人体智慧结合｜STEM教室

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更新时间：14:00 2025-02-12 HKT
发布时间：14:00 2025-02-12 HKT

半导体在我们的生活无处不在，基本上只要一个电子装置内含晶片（chip）或集成电路（integrated circuit，IC），就很大机会以半导体制成。因此，电话、电脑，以至相机、游戏机等等，所有智慧型技术（如物联网、AI、5G）都牵涉到半导体。然而，大家又知不知道半导体如何运作？为甚么我们称之为「半导体」？今期我们就尝试在这个广大的领域深入浅出，同时看看半导体技术如何与人体结合，展现更多可能性。

认知：半导体一半的导电能力？

大家或许都听过「电导体」（conductor）和「绝缘体」（insulator），前者导电，后者则不能，而「半导体」（semiconductor）的导电特性就是介乎两者之间。但怎样定义「一半」的导电能力呢？我们须要重温一下之前有关核聚变的专题。

离域电子与电流

还记得原子内有原子核，当中包含质子和中子，而电子则围绕原子核转吗？其实，电子的轨迹并非完全随机，高能量的电子会在较外围的轨迹运行，而当电子距离原子核愈远，电磁力就会愈弱，从而较容易脱离原子本身，成为离域电子（delocalized electron）。离域电子能够自由流动，因此当连接电池时，电压会令这些电子往一个方向流动，形成电流。电导体就是拥有大量离域电子，而绝缘体则缺乏。

我们亦可以能量角度分析。根据量子力学，电子的能量是量子化且不连续的，即是电子不能有任意能量，有一些能量值是禁止的。原本每一个粒子都有特定能阶（energy level），即是电子的能量只能是这些能阶的数值；但当我们宏观地看整个物料时，由于一个物料有很多电子，它们有相互作用，故一个物料会有很多能阶，相加而成后就会形成能带结构（energy band structure）。

传导带与价带之间

上文提到的离域电子拥有较高能量，它们会处于传导带（conduction band），能够导电；而大部分仍然受原子核约束的电子则处于价带（valence band）；至于那些禁止的能量值就会成为禁带（forbidden band），禁带会分隔传导带与价带。禁带愈阔，即是传导带与价带之间的能隙（energy band gap）愈大，那么要把电子由价带提升到传导带，就需要更多能量。

绝缘体：不导电，正是由于能隙大，在室温下没有足够能量令电子跃升至传导带，因此没有足够离域电子来导电。
电导体：传导带与价带有重叠，因此不用特地提供能量已经有充足离域电子。
半导体：在绝缘体与电导体之间，价带和传导带之间有一个不太大的能隙，本来不太能导电，但只要我们提供适当能量，就能令电子进行跃升，从而可以导电。

图一：金属（电导体）、半导体、绝缘体的能带结构

Eg为能隙数值

如何提升半导体的导电能力？

从图一，我们可见只要克服到Eg的值，就能使半导体成为导电物料。这意味着我们可以如开关掣般控制半导体，从而对电路或晶片作出指令，但下一个问题是，除了加热，我们如何提供能量或制造离域电子，令半导体导电呢？这里，我们须要进行一个名为掺杂（doping）的方法。

从名称推测，似是一个混杂不同物料的做法；就以最常用的半导体 —— 矽（silicon）作为例子解说。我们知道只有外围电子才有机会成为离域电子，因此，以下分析只考虑外围而非全部电子。

矽分子 → 磷分子

矽的原子序数（atomic number）为14，拥有4个外围电子，由于分子和分子之间能够通过外围电子连结起来（称之为共价键，covalent bond），因此每个矽分子会与邻近4个矽分子通过共价键连成一个更稳定结构。然而，如果我们把其中一个矽分子换成磷分子（phosphorous，原子序数为15，有5个外围电子），它与邻近4个矽分子连结后，仍然会剩下一个外围电子，这个电子与原子核的吸引力会变得特别弱，从而容易跃升至传导带。

矽分子 → 硼分子

反之，如果我们把矽分子换为硼分子（boron，原子序数为5，有3个外围电子），它需要借助周围的一颗电子才能与邻近4个矽分子连结，外围就会少了一个电子，或换句话说，多了一个正极电荷，这个电荷同样能作导电之用。我们会因应多了一个负极电子或正极电荷，分别称之为N型掺杂（N-doping）和P型掺杂（P-doping），而磷和硼亦分别叫作N型掺杂剂（N-dopant）和P型掺杂剂（P-dopant）。

掺杂剂 → 导电

在能量角度而言，以N型掺杂为例，额外的一个外围电子会在能量带图表中产生一个新的能阶，与传导带距离极近，因此电子能轻易跳至传导带。可以想像，只要我们加入足够掺杂剂，就能产生大量额外电子或正电荷，从而制造离域电荷来导电。当我们巧妙地排列N型掺杂半导体和P型掺杂半导体，就能制造各式各样的半导体装置（semiconductor device），例如电晶体（transistor）——在接收信号后作多种加工功能，如放大、调变等。

图二

电子要在传电带才能导电，反之，正电荷，或称为电穴（holes）要在价带才能导电。N型掺杂剂（如Sb）令电子能量提升至更接近传导带，而P型掺杂剂则令电穴更接近价带，两者都是令电荷只需少量能量供给就能变得可导电。费米能阶（Fermi level）是指电子在热力学平衡时有一半机会处于的位置（可理解为电荷的平均能量值），在没有掺杂时位于价带与传电带的中间。以电子为例，N型掺杂使费米能阶上升，意味普遍电子能量有所提升，即与传电带更近。

不是半导体也能导电？

回顾图一，虽然绝缘体的价带和传电带距离大，但如果我们有办法把能隙减低，其实有机会导电。早于1977年，白川英树（Hideki Shirakawa）的聚合物（polymer）实验中，发现如果把碘（iodine）作为聚合物的掺杂剂，可令原本是绝缘体的聚合物变得可导电。如图三所示，在特定聚合物加入掺杂剂（D），同样能够增加或减少在聚合物链（polymer chain）上的离域电子（e^-）数量（图A）。要把链的能量降到最稳定的水平，这个电荷周围的分子结构会产生变化，形成晶格变形（lattice distortion）（图B）。我们会把电荷和变了形的分子共同称之为极子（polaron）（图C），而带电荷的极子沿着聚合物链随意流动时，就能产生电流（图D）。

图三

聚合物即使是绝缘体，亦能利用掺杂方式来导电，我们称这类物料为导电聚合物（conductive polymer）。（图片来源：sciencedirect）

医疗层面的导电聚合物

或许有人会问，当我们已经有矽时，为甚么还要研究导电聚合物呢？

那是因为，如果要应用在人体或医疗科技，矽的无机半导体（inorganic semiconductor）未必与我们的身体兼容。与电脑不同，我们体内充满水分，细胞环境亦经常改变，因此如果想要探讨体内状况，就需要能够在体内仍然顺畅运作的晶片。

马斯克领导的Neuralink 2024年1月已成功完成第一例人类大脑植入电脑的手术。

须与身体组织相同

由于聚合物大多以碳分子为骨干，与身体组织相同，因此研究导电聚合物变得甚具价值。经过多年研究，专家们陆续发现了更多相关原理，并制造了不同类型的导电聚合物，其中以 PEDOT:PSS 这种物料最有潜质发展。它除了能导电，还可伸展，即能延展成不同形状配合身体结构；另外，它在水中、在不同温度，以及环境中亦能保持分子结构稳定，因此非常适合用以制造可放进人体的晶片。

图四：PEDOT:PSS 的分子结构

首先，其颇为对称的结构提升其稳定性；另外，PEDOT:PSS 有很多氧分子（O），能令其在水中仍能保持化学稳定。

补充资料

导电聚合物的应用

PEDOT:PSS 除了拥有上述提到结构上的优势，它还可把离子信号转化为电子信号。在先前的脊髓与电极专题，我们知道身体很多地方都有电传递不同讯息，而细胞在有水环境中能令物质分解成离子再导电。因此，要把身体信号接收并传到电脑，就须进行离子与电子的转换，其中一个方法就是通过氧化还原反应（redox reaction）。PEDOT:PSS 正正能够提供一个平台进行此反应，我们称之为「ionotronic」，即能够「翻译」离子信号与电子信号。

反映身体健康状况

作为「ionotronic」物料，其中一项重要应用是有机电化学电晶体（Organic electrochemical transistors，OECTs）。电晶体能对电子信号作多种加工或分析功能，而「电化学」是指当身体出现化学反应时，就能以电信号形式侦测到。因此，OECTs 常用于不同生物传感器（biosensor），侦测如血糖、多巴胺、尿酸等反映我们身体健康与否的分子浓度变化。即使导电聚合物已有不俗潜力，一些研究团队想提升装置在身体的兼容性，甚至研究「有生命的」传感器，电极甚至加上人工组织，从而更有效地接收身体信号。

港大研发名为PERfECT的微型可穿戴生物电子传感器。

矽半导体与基因侦测

虽然导电聚合物比非有机半导体在人体侦测方面占优，但不代表矽半导体装置不能在医疗科技中产生效用。伦敦帝国学院一个研究团队核心关注基因技术，想做到定点照护检验（Point-of-Care testing），令每位病人都得到个人化的照顾，因此基因检测对于分析病理变得重要。过往针对遗传标记（genetic marker）的侦测非常依赖光学检测与荧光标记识别，使实验复杂且不能扩展至大范围侦测；团队制造了以矽为基本材料的离子敏感场效应电晶体（ionsensitive field-effect transistor，ISFET），能侦测离子浓度变化，因而尝试做到简单且实时的基因侦测。