p-n junction (p-n 接面)相信大家都不陌生，其原理也相當簡單，但應用卻相當廣泛！筆者在這邊先介紹簡單的p-n 接面結構及物理特性，進一步再介紹其應用元件，包含：

1. 二極體(diode): 一般二極體 (diode)、整流器(Rectifier)、齊納二極體(Zener diode)、瞬態電壓抑制二極體(TVS diode)、蕭特基二極體(Schottky diode)
2. 光電元件: 發光二極體 (LED)
3. 太陽能電池: 矽基太陽能電池 (Si-based Solar cell)、異質接面太陽能電池 (HIT solar cell)、薄膜太陽能電池 (Thin film solar cell)
4. MOSFET：nMOS、pMOS
5. BJT : pnp、npn

現在我們拿矽(Silicon, 中國稱為"硅")作為基板，摻雜硼(Boron)或銻等元素為 p 型 (三價)，此時半導體原子(如矽原子)外圍的四個電子和硼原子外圍的三個電子和一個電洞形成共價鍵時，因其有一個電洞，會吸引自由電子填入，使的硼原子為帶負電的"離子"。此類半導體由於含有較高濃度的「電洞」（「相當於」正電荷），因此成為能夠導電的物質。

同樣地，摻雜磷(Phosphorus)或銦等元素稱為 n 型(五價)。由於半導體原子(如矽原子)外圍的四個電子和磷原子外圍的五個電子形成共價鍵時，因其有一個額外的電子，此多於電子容易脫離磷原子的束縛而成為自由電子。於是，此類含自由電子濃度較高的半導體，因為其自由電子導電，而成為能夠導電的物質。

(參考自維基百科"pn結")

我想原理大家大概都不陌生，當將 p 型(p-type)半導體和 n 型(n-type)半導體接合時 (一般是使用磊晶技術)，其 p 型半導體和 n 型半導體的接面"p-n 接面" (p-n junction) 會形成一個空乏區 (space charge region)。這是由於 p 型半導體其內具有大量的電洞、和 n 型半導體內具有大量的電子有關。兩者的雜質 (dopant) 開始互相往對方區域擴散，其接面處由於能量平衡會產生一個空乏區，此時具有電場，也稱為內建電位（built-in potential）Vbi。

(參考自維基百科"pn結")

由於 p 型半導體大多數電洞往 n 型半導體擴散並被複合(recombination)，因此留下負電荷在靠近 p 型半導體的邊界上(空乏區)。相反地，n 型半導體大多數電子往 p 型半導體擴散並被複合(recombination)，留下正電荷靠近 n 型半導體的邊界上(空乏區)。因此空乏區內的電場與 p-n 半導體接合形成的電場相反，所以待平衡時，其形成的能量將再次阻擋雜質(dopant) 進一步擴散。白話一點來說，就是內建電位會停止接合處電子電動進一步再擴散! (於平衡狀況下)，除非額外施加電壓，打破平衡。也就是之後我們要談的"順向偏壓"及"逆向偏壓"。

p-n 接面及其結構圖可參考維基百科"pn結"

[進階思考] 看了上述文字，不知各位讀者是否有其他想法呢? 如果沒有任何想法，那上述只是一般的硬知識而已! 其實，以固態(或材料)觀點來看，每種材料的能帶 (Energy band)都不同，於接合處產生的能帶扭曲所造成的能帶差(或能隙, energy band gap)都不同，此能帶差會改變(或調整)電子和電洞的遷移率，於外加電場下尤甚 (可以想成電子電洞的遷移之下，也就是電流開始流動，能帶所造成的"斜坡"會加速或減少電子(或電洞)的遷移速度。因此，我們只要調整摻雜濃度，材料厚度，沉膜時間，表面處理，材料結構(量子井 Quantum well)，摻雜雜質種類(不同原子，或以不同比例摻雜)...等，只要能夠改變其能帶結構，就可以調整內建電場，和遷移速率(公式請參考半導體物理)，這些也就是能帶工程的範圍。尚且先不討論外加電場，只以材料磊晶的方向討論能帶的改變。

此外，如果是電晶體，那花樣就更多了!因為電晶體(MOSFET 或是 BJT)，結構較一般 p-n 二極體或二極體元件複雜，所以如果只是改變其材料結構的方向，除了上述的改變摻雜濃度，材料厚度，沉膜時間，表面處理，材料結構，摻雜雜質種類...之外，還有改變電極形狀 (通常是 MOSFET gate)，和其材料結構 (氧化閘極的材料特性，包含多層氧化 gate oxide，high-k gate oxide...等)，都可以改變其特性。

另外，如果是一般的矽薄膜元件(Thin file MOSFET)，也可以透過退火改變矽晶格排列，已知矽原子有三種排列型態: 多晶矽(multi-crystal)，單晶矽(single-crystal)，非晶矽(amorphous)，其材料特性都不同! 以薄膜電晶體(改變其通道材料特性)，或薄膜太陽能電池(thin film solar cell，HIT solar cell)應用較為廣泛。

如果是三五族半導體 (HEMT)，分為 enhanced mode 和 depletion mode 兩種，則除了改變磊晶結構 (一般三五族半導體磊晶結構較多較複雜)，摻雜濃度，閘極形狀，閘極絕緣(氧化)材料種類...之外，因其具有 2DEG (two-dimensional electron gas，也就是量子井)，所以，能帶工程的花樣又更多 (也因其具有 2DEG，所以電子電洞遷移速度遠高於 MOSFET)，可以接合不同材料造能多量子井(multi-quantum well)進而改善其特性! 或是改變製程參數，蝕刻溶液濃度，比例，黃光微影時間，光罩圖案，passivation layer 保護層的材料種類，保護層與電極接合處之黏著層 (cohesive layer)之合金或其厚度...等等，也都可以改變其性能。(這些也都適用於 Si-based MOSFET)。

太陽能電池的部分除了能帶工程，也可以改變 p-n junction 的沉膜時間，沉膜條件，沉膜氣體種類，沉膜氣體比例，後製程退火(annealing)改變其材料特性......等等。或是可於結構內插入一層薄的金屬層(幾nm)，可以透光，以增加其反射特性 (筆者曾經研究過於 thin film 太陽能電池內插入一層薄薄的鋁) ...等等。此外，表面處理或是層內增加粗糙內接層 (筆者也曾研究過) 也可以改善反射率。還有，電極的形狀也可以改變，如何減少遮蔽率以達到最佳光吸收率，或是於其表面塗一層可增加吸收光的塗層，這些都是很好的研究範圍!

LED 的部分，除了能帶工程(Energy band engineering)，也可以使用壓電材料來製作，只要晶格匹配不同(mismatch)，接合處於壓力下會產生電流，則可以增加其光電轉換效率。或是剛剛所講過的，表面吸收光能的面積，表面處理，製程的改變......等等，都可以改善其發光效能! 上述這些也都是很棒的題目!也都是很好的發表題材!希望大家會喜歡。