光激發光 (photoluminescence)
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞研究生/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

半導體發射光最簡單的例子，就是電子電洞對的直接激發與復合。如果復合的電子直接由傳導帶落至共價帶，中間未經過任何缺陷能階，則發光的波長會對應至能隙寬度的能量。達到穩定狀態時，電子電洞對的激發速率等於復合速率，半導體每吸收一個光子就會放出一個光子。 Continue reading →

光電效應 （Photoelectric Effect）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

從普郎克研究由加熱物體發光的黑體輻射現象，所得的一項重要結果是，由這些樣品所發射出的光能量是離散不連續的。這些離散的能量單位稱為量子，常以hv表示，其中h稱為普郎克常數，這即是普郎克的光量子假說。在普郎克提出這光量子假說不久後，愛因斯坦即用這假說來解釋一項可以清楚的顯示能量離散性質的實驗，即光電效應實驗。

光電效應是指金屬中的電子因吸收光能量而導致電子脫離金屬的現象。假設入射光是單頻光，在光電效應實驗中，所研究的是這些脫離金屬的電子，即所謂的光電子，所具有的最大能量與光頻率的關係。量測這些光電子最大能量的最簡單方法是，在照光金屬的上方放一加負偏壓的收集電極，調整這些負偏壓，當再收不到光電子時，由所加的負偏壓即可找出光電子的最大能量 E_m。

由實驗結果可發現，光電子的最大能量 E_m與光頻率v的關係是線性的，且其斜率為普郎克常數h。此線性關係為 E_m=hv－qψ， 其中q為電子電量大小，式中的ψ與實驗所用受激金屬的種類有關，不同種類的金屬所得不同。以q乘以ψ即可得一具有能量單位的物理量，此代表了電子逃脫金屬所必須具有的最小能量，此能量ψ稱為金屬的功函數。此結果顯示電子由光接受了hv的能量，但在逃離金屬的過程中需花費qψ的能量。

光電效應實驗清楚的顯示普郎克的光量子假說是正確的，即單頻光的光能量並非連續的，而是以離散的能量為單位存在。除了光電效應實驗外，其他的實驗也清楚的指出，光除了具有可以產生干涉現象的波動性外，由於其所具有的離散能量，光也可視為是由離散能量及具有特定位置的能量單位，稱為光子所組成。某些實驗結果顯示，光具有波動性，另一些實驗結果則證明光也具有粒子性。這種光的波粒二重性(wave-particle duality)為量子力學的基本特徵，這在量子理論中可被清楚的描述，而非模糊的理論。

參考資料：半導體元件

光微影技術 (Photolithography) 
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

利用光微影技術可以把對應於複雜電路的圖案，形成於晶圓表面。

首先必須製作一個矩形石英板，它是含有所需圖樣的透明石英板。而石英板上不透明（暗色）部份是由吸收紫外光的材料構成，例如氧化鐵。矩形石英板包含的圖樣，只對應到一個晶片內電路的圖案，而非整個晶圓上許多晶片內一再重複同樣的圖案，對應到整個晶圓的石英板叫做光罩(mask)。通常是利用圖樣製作軟體程式，按照事先設計好的佈局圖，由計算機控制的電子數來形成所需的圖樣。

一層對電子束靈敏的材料（電子束阻劑）先塗敷在氧化鐵覆蓋的石英板上，其後此阻劑將曝照於電子束下。電子束阻劑是一種有機聚合物，在高能量粒子，例如電子、光子照射下會引起化學變化。

按照設計好的圖樣，晶圓上的阻劑在不同的區域被選擇性的予以照射。照射之後以化學溶液顯影。

阻劑的形式有兩種，正阻劑是利用顯影液去除曝光的部份，而負阻劑則是以顯影液去除未曝光的部份。利用電漿蝕刻去除選定的氧化鐵層，需要的圖樣便因而產生。矩形石英板可以重複的使用於矽晶圓上。製作一個積體電路，依照製程步驟，有時需要十個以上甚至數十個矩形石英板。 一開始矽晶圓上要覆蓋對紫外光靈敏的有機材料，光阻劑。將液態的光阻劑滴在晶圓上，再把晶圓快速旋轉以形成均勻的塗佈層。接著紫外光穿透矩形石英板照射到塗滿光阻的晶圓上，為了使積體電路正確工作，前後的圖樣必須精確的對準，此一對準設備稱為光照對準機 (mask aligners)，使曝光的光阻劑酸化，再以NaOH的鹼性溶液顯影，蝕去曝光的阻劑。如此即可將矩形石英板的圖樣轉移複製到晶圓上。留存在晶圓上的光阻再以125oC的溫度烘烤使其硬化。接著進行所需的後續製程，例如在晶圓上未被光阻覆蓋的區域，植入雜質離子或以電漿蝕刻去除未被覆蓋的表層區域。而採用化學機械研磨，使得製程中各步驟盡量維持表面的平坦化為一項必要的步驟。此項製程會用到含有細微SiO2顆粒的NaOH溶液。

參考資料

半導體元件

太陽能電池（Solar Cell）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

近年來，由於地球暖化及全球能源危機的問題，各國皆投入研究低耗能、低污染的各種半導體元件，而其中又以無耗損及無污染的綠能產業太陽能電池，最為熱門。而太陽能電池又以提升轉換效率為主要研究方向。

太陽能電池（solar cell）的材料種類非常的多，有非晶矽（amorphous silicon）、多晶矽（poly crystalline）、GaAs、InGaP等半導體、或三五族的元素鍵結材料，而這些材料皆為光轉為電之光電元件。以半導體為例，由於太陽能電池為一p-n接面的二極體，當入射光子的能量大於材料能帶間隙時，則會被能隙所吸收而產生電子電洞對，由於接面處會產生電場，此稱為內建電場 (built-in field)，會將電子電洞對分開至兩邊，則電子到 n 型區，電洞到 p 型區。

因此經過產生的電流，就稱為光電流。而太陽能電池的電極設計，通常上部電極會使用指狀結構，因此稱為指狀電極 (finger electrode)，目的是要讓太陽光進入到電池中，不會被太大電極所擋到影響進入的光量；而電池的背部則直接鍍上一層電極。為了讓更多的光能進入太陽能元件當中，會在背部電極內表面鍍上一層抗反射膜 (arntireflection coating)，使其反射率增加讓更多的光子不因透射而逸失掉。 太陽能電池的能量來自太陽光源，因此太陽光的強度與光譜（spectrum）就決定了太陽能電池的輸出功率。而太陽光的強度及頻譜也會影響著太陽能電池輸出的電壓與電流。太陽光的強度與頻譜，可以用頻譜照度來表達，由於太陽光的頻譜照度和量測的位置與太陽相對於地表的角度有關，一般以空氣質量（air mass，AM）來表示。而空氣質量定義為光入射路徑與地球大氣層垂直方向所夾之角的餘弦值倒數，即air mass（1/cosθ）。光譜照度與量測位置與入射和地表的夾角有關，這是因為太陽抵逹地面之前，會經過大氣層的吸收與散射。而位置與角度的這二項因素，亦是以大氣質量（air mass，AM）來表示。例如：AM 1代表著在地表上，太陽正射的情況，及太陽垂直入射到地表上，而AM 1.5則代表在地表上，太陽以48.2度角入射的情況，而AM 1.5一般被用來代表地表上太陽的平均照度。

參考資料：太陽電池(Solar cell)

雙折射 (Birefringence)
國立彰化師範大學液晶實驗室/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

液晶的主要特徵之一，其與光學1軸性晶體相同的具有折射率異向性的雙折射性。由於液晶分子之幾何異向性，導致光線在液晶中行進的速度與光線本身的行進方向及偏振方向有關。我們先將入射光分成兩相互正交之線偏振光，當入射液晶層後，兩道偏振光分別感受到不同的折射率，而不同的折射率產生不同的相速度，這種現象稱之為雙折射。利用液晶的雙折射率性質可以改變光在液晶盒內的行為，而影響光的偏振特性，藉此獲得顯示上所需光的性質。 Continue reading →

臨界磁場（Critical Magnetic Field）
國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

　　外加磁場加到超導體上之後，當磁場大過臨界磁場時，超導性消失，超導體就恢復了電阻，回到正常態，我們把 H_c 叫臨界磁場（critical magnetic field）。根據超導體在磁場下的行為表現，可分為第一類及第二類超導體。
對第一類超導（Type-I superconductor）而言，當外磁場超過某一數值 H_c  的時候超導特性會被破壞。
對第二類超導（Type-II superconductor）而言，當外磁場超過某一數值下臨界磁場 H_c1 的時候，出現超導相與正常相共存的混合態，磁力線會以量子化的形式{磁通子(fluxon)}進入超導體，隨著磁場的增強，這些屬於非超導態的磁通量子數目跟著增加，超導特性會被漸漸破壞，到上臨界磁場 H_c2 時，恢復到正常態。
臨界磁場是每一個超導體的重要特性，實驗發現，對某特定的超導物質而言，H_c 是隨溫度而變化的，H_c 和 T 的關係可遵循拋物線近似關係。
　　　H_c～H_c(0)[1-(T/T_c)²] 　　其中 H_c(0) 表示絕對零度時超導體的臨界磁場。注意T = Tc時，臨界磁場為零，換句話說，前面所說的超導臨界溫度Tc是指在無磁場下超導體從正常態過渡到超導態的溫度。

超導材料本身具有特徵尺度，也就是相干長度(coherence length) 及穿透長度（penetration depth），若是試圖從改變特徵尺度讓進入超導的磁通量子變細，就可以在它們佔滿材料前將磁場提高到較大的值，亦即提高超導體的臨界磁場。英國科學家將超導材料PbMo₆S₈研磨大小約20奈米的顆粒，再重新製成塊材，製造出具有許多晶粒邊界(grain bouncaries)、錯位(dislocations)及空位(vacancies)的超導體，藉以提高電子散射機率。結果刷新超導體所能承受最大磁場的記錄，這種具奈米微晶結構的 PbMo₆S₈ 臨界磁場可達100 Tesla。這項技術可望用來製造更強的磁鐵。
　　另一方面在超導內部製造有序的人工缺陷，釘扎中心顆粒的種類、尺度、間隔及形狀的關連性，以探討磁通渦旋線與磁通渦旋線的交互作用及磁通渦旋線與釘扎中心間的交互作用，了解在超導體中所產生許多多樣化靜態和動態的有趣的物理現象。

參考資料：http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity

臨界電流（Critical Current）
國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

　　如同臨界溫度般，通過超導體中電流若大過臨界電流，則超導性便消失。當通過超導體的電流超過一定的數值 I_c 後，超導特性也被破壞了。I_c 也是隨溫度不同而不同的。I_c(T)表示溫度為T時超導體的臨界電流（critical current）。這個現象可以從磁場破壞超導電性來說明。在半徑為R的超導線中通過電流I時，在超導線表面上產生的磁場H_s等於H_s=I/(2πR)
如果 I 很大，使H_s = H_c(T)，那麼超導線的超導性便被破壞
由於H_c～H₀[1-T/T_c]²] 所以 I_c(T)～I_c[1-(T/T_c)²]，其中 I_c(0) 表示T = 0 K時的臨界電流。
　　臨界電流要怎麼量測呢？ 電阻開始不等於零的電流 I 就是臨界電流的值，也就是沿著電流方向超導體兩端的電位差V開始不為零時的電流。由於超導體相變的寬度是相當地窄，只要稍微增加一點電流就會變成正常態，且由於測量儀器的靈敏度限制，無法量到很小的訊號，因此我們必須規範合理電表可解析的範圍，來規定當時的臨界電流。臨界電流的測量可利用二分法來量，量測的概念是判斷在有傳輸電流的情況下量到的電壓值是否介於我們定義的電壓範圍內，慢慢將電流逼近到所需求的電流值，即是所得的臨界電流值。
　　就第二類超導而言，臨界電流的含意是剛產生磁通流動造成電阻時的傳輸電流的大小。當傳輸電流小於I_C時，磁通受釘扎力作用大於羅侖茲力的作用，僅存磁通線在釘扎中心間的磁通蠕動，因此不會有很大的能量損耗；但一但傳輸電流超過I_C後，磁通線所受的羅侖茲力便大於釘扎力的作用，因此磁通線便受到驅動力而產生磁通流動，而使樣品具有一定的流阻。所以，臨界電流是我們判斷樣品在承受到磁場作用下，不產生能量耗損的指標。所以我們量測在磁場作用下臨界電流的大小無非是看我們的樣品承受磁場破壞超導性的極限，以致於我們可以出找一種臨界電流又大，又能夠承受很大的磁場，那麼這種超導就是應用極高的超導，目前也有許多研究在探討如何增加超導的臨界電流。
　　利用超導體零電阻的特性，可用於製作超導導線。利用此種導線作為電力傳輸線、能源儲存裝置和超導電磁鐵，但使用超導線圈所需電流密度及磁場均需很強，因此要達到可應用性就必須尋求可承受高電流及高磁場的超導材料。

參考資料:http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity

臨界溫度(Critical Temperature）
國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

臨界溫度(critical temperature, Tc)，指的是超導體在這個溫度下才能呈現超導態，一旦超過這個溫度超導態便消失，所有的超導現象(零電阻,反磁效應..等等)會完全消失，這個溫度即是此材料的超導臨界溫度。也就是說超導現象只有在溫度低於Tc時才出現，高於此溫度則轉變成電阻不為零的正常態。許多元素和化合物在各自特有溫度下都具有這個超導電性的性質。

週期表上的元素並不是都會有超導特性，有些必須在高壓下才具備超導特性。對於金屬臨界溫度最高的是Nb( TC=9.26K)。對於合金臨界溫度最高的是Ge₃Nb薄膜(TC=23.2K)。朱經武與吳茂昆所發現的釔鋇銅氧系列的氧化物，其把臨界超導溫度提高到90K以上，跨越到可用液氮能量測的高溫超導。磁性稀土元素和鐵鈷鎳一直是超導電性的禁區，2008年鐵基超導體氧化物的發現，其含鐵卻有超導的特性打破了以往的印象。

樣品由正常態到超導態的過渡，也就是電阻下降到零的過程，是在一個有限的溫度間隔內完成的，這個溫度間隔我們稱為轉變寬度∆Tc。對於樣品可能有單晶、覆晶和不純的狀態，將會改變超導的臨界溫度和轉變寬度。

除了溫度可以造成超導態與正常態之間的轉換外，磁場與電流的變化亦會造成超導與正常態的轉換。因此超導材料在應用上有三個操作限制：溫度、磁場及電流，其臨界值分別稱為臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc，代表材料在超導態情形下所能忍受的最大磁場）及臨界電流密度（Jc，代表單位面積所能流通的最大超導電流，安培／平方公分）。由下圖為例，矽晶片上鍍上600nm厚度的鈮超導薄膜，其臨界溫度為9.2K。隨著增加外加磁場的臨界溫度會隨之變小，相轉變溫度則仍然非常陡峭。

參考資料

http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity