🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
1. 從材料層級理解半導體的價值
2. 建立電子在固體中移動的物理畫面3. 理解為何半導體成為現代電子學核心
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🧭 一、先說清楚一件事
很多人誤以為：
半導體厲害，是因為它很會導電。
事實剛好相反。
👉 半導體真正厲害的地方在於：
導電能力介於導體與絕緣體之間，而且可以被精密控制。
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🧲 二、從電子行為看材料分類
2.1 導體（金屬）
• 外層電子束縛力小
• 電子像自由氣體
👉 幾乎不需要外力就能移動。
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2.2 絕緣體
• 電子被牢牢綁住
• 很難被拉走
👉 幾乎無法形成電流。
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2.3 半導體
• 電子被「半綁住」
• 需要一點能量才能移動
👉 剛好落在可控制區間。
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🧠 三、地形比喻再深化
• 導體：平地（推一下就走）
• 半導體：緩坡（要用點力）
• 絕緣體：懸崖（推不動）
👉 工程師最愛的是「緩坡」。
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🏭 四、為什麼工業選擇矽
• ✔ 儲量高
• ✔ 穩定
• ✔ 可形成高品質氧化層
• ✔ 可微影製程
👉 矽不是物理上最完美，但製程友善度最高。
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⚡ 五、半導體讓什麼事情成為可能？
• ✔ 電子開關
• ✔ 電子放大
• ✔ 記憶體儲存
👉 沒有半導體，就沒有現代 IC。
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🧭 六、工程層級意義
電子工程其實在做：
👉 設計「材料如何回應外界刺激」。
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🧾 七、一句話記住本單元
🧱 半導體的價值，在於「可被工程化控制」。
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🔬 電子學實驗題（9/120）
實驗名稱
不同材料導電特性比較
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🎯 實驗目的
驗證：
• 導體
• 半導體
• 絕緣體
在相同條件下的電流差異。
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🧰 實驗器材
• 直流電源供應器
• 萬用電表
• 金屬導線
• 矽二極體
• 塑膠片
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🔧 實驗步驟
1. 設定電源為 5V
2. 串接萬用電表量測電流
3. 依序更換材料
4. 紀錄 I 值
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📊 預期觀察
金屬 >> 二極體 >> 塑膠
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✅ 專業解析
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解析一、金屬為何呈現近似線性導電？
在金屬材料中，最外層價電子受到原子核束縛力較弱，形成所謂的「自由電子海」。
這些電子在沒有外加電壓時，雖然以熱運動方式隨機移動，但方向雜亂，平均電流為零。
當外加電場存在時：
👉 電子會在原本隨機熱運動的基礎上，疊加一個緩慢的漂移速度。
此漂移速度與電場大小近似成正比，因此產生：
電壓越大 → 電流越大
也就是熟知的歐姆行為。
因此在實驗中：
• 金屬材料會出現最大且穩定的電流
• 電流隨電壓變化近似線性
這正是金屬適合當「導線」的原因。
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解析二、二極體為何導電能力介於中間？
矽二極體內部由：
• P 型區
• N 型區
所構成。
在交界處會自然形成：
👉 位障區（耗盡層）
此位障就像一道「小山坡」，電子必須獲得足夠能量才能跨越。
因此：
• 低電壓時幾乎無電流
• 電壓升高後電流快速上升
呈現門檻特性。
因此在實驗中：
• 二極體電流小於金屬
• 但遠大於絕緣體
這正體現半導體可控制導電的本質。
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解析三、塑膠為何幾乎不導電？
塑膠屬於絕緣體，電子被牢牢束縛於原子軌域中。
即使施加電場：
👉 電子仍無法自由移動
👉 幾乎沒有可形成漂移的載子
因此：
• 電流趨近於零
• 萬用電表幾乎無讀值
這也是塑膠被用於電線外皮與電路板基材的原因。
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解析四、溫度對三種材料的影響差異
• 金屬：溫度升高 → 碰撞增加 → 導電性略降
• 半導體：溫度升高 → 載子增加 → 導電性明顯上升
• 絕緣體：變化極小
👉 半導體對溫度高度敏感。
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解析五、為何 IC 技術必須使用半導體？
• 金屬：永遠關不掉
• 絕緣體：永遠開不了
只有半導體能做到：
✔ 可開
✔ 可關
✔ 可微調
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🧠 從實驗回到工程本質
本實驗表面量測的是電流。
實際上在傳達：
工程價值不在於「最大性能」，
而在於「可被控制的性能」。
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🧾 最終工程結論
🧱 半導體之所以重要，不是因為它導電，而是因為它能被設計成想要的樣子。
