雜質說(2)——雜質如何塑造新世代科技
從晶片運算到再生能源，推動科技進步的關鍵，往往來自材料中那極微小的「雜質」。它們能讓原本幾乎不導電的矽，變成資訊高速公路的核心；也能讓只能吸收紫外光的材料，擴展到涵蓋可見光的能量利用。無論是控制電子與電洞的N型、P型矽，還是經Ti摻雜後具備更寬光響應範圍的BaZrO3，這些雜質一次又一次地改寫材料的性能，成為連接今日科技與未來能源的關鍵橋樑。
撰文｜黃鼎鈞
在上篇文章中，我們從古代鑄劍的「雜質之力」談起，認識了雜質如何讓材料變得更強、更具功能性。這次，我們要把目光放到現代科技的核心—半導體。半導體科技中的雜質，彷彿整個科技的靈魂，因為雜質的存在，讓原本遲鈍的材料擁有可控的導電性、開關能力與特定功能，成為各種電子與光電元件得以運作的基礎。
P型與N型矽的「雙子星」
我們都知道「矽」是整個半導體產業的基礎，也因為這個產業的蓬勃發展，衍生出了「矽盾」、「矽谷」等名稱，象徵它在科技與經濟上的戰略地位。然而，矽並非越純越好。純矽在室溫下的導電性極低，就像一條筆直卻空蕩的高速公路，沒有足夠的車輛（載子）來傳遞訊號與能量。為了讓矽具備可用的導電能力，工程師會透過「摻雜」增加載子數量。載子分為自由電子與電洞：主要以自由電子導電的材料稱為N型 (negative) 矽，而主要以電洞導電的材料稱為P型 (positive) 矽。
N型矽是在純矽中摻入比矽多一顆價電子的元素（如磷P、砷As），多出的電子成為自由載子，在電場作用下可自由移動，使材料主要靠電子傳導。P型矽則是在純矽中摻入比矽少一顆價電子的元素（如硼B、鋁Al），使矽晶格中出現「空位」（電洞），這些電洞就像缺了舞伴的位置，不斷吸引鄰近電子補位，形成所謂的「電洞傳導」。因此，透過摻雜，矽可以獲得可控且穩定的導電能力，並呈現不同的電子特性。
在應用上，N型與P型矽各有所長。N型以電子為主要載子，電子遷移率高，適合需要快速傳輸的區域，例如高頻高速電路或太陽能電池的吸光層。P型則以電洞為主要載子，雖然遷移率較低，但在電場作用下能有效引導電子流回路，因此常被用作太陽能電池的背電極層，負責將載子穩定引導回流，確保電路閉合與能量轉換的穩定性。
更進一步，當P型與N型材料結合時，會形成PN接面。接觸瞬間，N型區的多餘電子會向P型區擴散並與電洞結合，於交界處形成幾乎沒有自由載子的「耗盡區」，並建立由P型指向N型的內建電場。這個電場如同一道看不見的閘門：在正向偏壓下，它推動電子和電洞跨越接面，使電流流動；在反向偏壓下，則加強阻礙載子的流動，幾乎完全阻斷電流。這種可控的單向導電特性，正是現代二極體、太陽能電池與處理器開關元件運作的核心原理。
用雜質改寫能隙的BaZrO3
鋇鋯酸鹽 (BaZrO3) 是一種高溫燃料電池電解質，在高溫環境下能穩定傳導質子。所謂質子傳導，是指氫離子 (H+) 在材料的晶格之間，透過缺陷或氧空位等通道進行遷移，類似在原子級的「跳格子」，與金屬中自由電子的傳導方式不同。由於質子攜帶正電荷，質量雖比電子重得多，但相較於大多數金屬陽離子仍屬輕量，且在這類氧化物中遷移能障低，因此能在適當條件下高效率地傳遞電荷與能量。這些特性讓BaZrO3長期被視為燃料電池等能源轉換元件的理想材料。然而，它的寬能隙（約3.1 eV）意味著只能吸收能量較高的紫外光，對太陽能中佔比最大的可見光幾乎無感，導致光能利用效率受限，因此，若想提升光電與光催化效能，就必須讓材料能吸收更多波長範圍的光。研究團隊近期透過第一性原理計算 (DFT) 發現，若將鈦 (Ti) 摻雜進入鋇鋯酸鹽 (BaZrO3) 晶格，便能改變其能帶結構與能隙，將吸收範圍從原本僅限於紫外光延伸到可見光區，讓材料能捕捉更多來自太陽的能量並有效轉化利用。更具體來說，當Ti取代部分Zr位置時，材料的能隙會降低至約1.8 eV，就像把原本只能聽高音的耳朵調整到連中低音也能聽到，使其可吸收涵蓋更廣波長的可見光。此外，這種摻雜還賦予材料在光照下分解水產生氫氣的能力，展現出在太陽能製氫與光電轉換領域的巨大潛力，簡言之，Ti的摻雜讓材料的「光響應頻譜」更寬廣，也為再生能源開啟更多可能。
從P型、N型矽到Ti摻雜BaZrO3，我們可以清楚看到，雜質並非單純的「不純物」，而是精確設計材料性能的關鍵工具，在晶片世界，它們構築了高速運算與訊號處理的核心元件；在新能源領域，它們則負責調控能隙、擴展光吸收範圍並提升效能。這只是冰山一角，還有許多其他領域的應用，例如感測、量子元件與高溫超導等，都在悄悄利用雜質的特性發揮關鍵作用，只是篇幅有限，無法一一細述。因此，當你下次聽到「純淨」與「雜質」這兩個詞時，不妨想想：在材料科學的領域裡，往往正是那微小的「雜質」，驅動了我們科技邁向新世代的關鍵一步。
參考文獻
- Kittel, C. (1955). Solid state physics (Vol. 3). Emeryville: Shell Development Company.
- Datta, A. K., Hossain, M. K., Revathy, M. S., Reddy, M. S., Singh, A., Radhika, S., ... & Haldhar, R. (2025). A first principle investigation to explore the effect of Zr-site Ti doping on structural, electronic, optical, and mechanical properties of BaZrO3. Scientific Reports, 15(1), 26380.