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半導體

半導體. 半導體是一個四價元素，有 4 個價電子，其導電性質介於導體與絕緣體之間。 半導體　　. 本質半導體（純矽或純鍺晶體製成） 外質半導體（含其他雜質）. N 型. P 型. 矽晶體. 原子核（質子與中子）. 4 個價電子在最外層軌道. + 14. ▲ 圖 2-1 矽原子結構. ▲ 圖 2-2 矽原子的晶體結構. 矽晶體的共價鍵結構. 矽. 矽. 共用價電子. 矽. 矽. 矽. 矽. 矽. 矽. 矽. 矽. (a) 矽原子間共用價電子. (b) 共價鍵示意圖.

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  1. 半導體 • 半導體是一個四價元素，有4個價電子，其導電性質介於導體與絕緣體之間。 • 半導體　　 • 本質半導體（純矽或純鍺晶體製成） • 外質半導體（含其他雜質） N型 P型

  2. 矽晶體 原子核（質子與中子） 4個價電子在最外層軌道 +14 ▲ 圖2-1 矽原子結構 ▲ 圖2-2 矽原子的晶體結構

  3. 矽晶體的共價鍵結構 矽 矽 共用價電子 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 (a) 矽原子間共用價電子 (b)共價鍵示意圖 ▲ 圖2-3 矽晶體的共價鍵結構

  4. 能隙 • 能隙愈大表示需要愈大的能量，才能使價電子移動至傳導帶，所以能隙較小的物質較容易導電。 (a) 絕緣體 (b)半導體 (c)導體

  5. 電子電洞對 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 • 當價電子獲得足夠能量脫離共價鍵而形成自由電子時，同時也會產生一個電洞，稱為電子電洞對。 產生電子-電洞對 復合 能量 傳導帶 自由電子 能隙（矽晶體約為1.1eV） 價電帶 熱能 電洞 ▲ 圖2-4 矽晶體結構的電子電洞對的產生 ▲ 圖2-5 電子電洞對的能量示意圖

  6. 電子流 電子流 自由電子受到正電壓吸引而往正極移動 ▲ 圖2-6 自由電子的傳導 • 在本質半導體上外加一電壓，則位於傳導帶的自由電子將受到正電壓吸引而往正極移動，並在半導體的內部形成電子流來傳導。

  7. 電洞流 • 電洞本身並非實體的東西，實際上不會移動，但其鄰近的價電子會受外加電壓的影響來填補此處空缺，看起來就好像電洞往價電子移動的反方向移動。 電洞向左移 電洞流 價電子向右移 自由電子 電洞 矽 矽 矽 ▲ 圖2-7 電洞的傳導

  8. N型半導體 • 在本質半導體中加入五價元素的雜質，如磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等元素，這樣的外質半導體稱為N型半導體。 • N型半導體的電流傳導主要來自電子的移動，而電洞流的影響很微小。 自由電子 +4 +4 +5 +4 +4 ▲ 圖2-8 N型半導體

  9. P型半導體 • 在本質半導體中加入三價元素的雜質，如硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）等元素，這樣的外質半導體稱為P型半導體。 • P型半導體的電流傳導主要是來自電洞流，而電子流的影響很微小。 電洞 +4 +4 +3 +4 +4 ▲ 圖2-9 P型半導體

  10. PN接面 • 在本質半導體的一側加入施體雜質，另一側加入受體雜質，這個半導體就有一側為N型，另一側為P型，且在N型與P型之間形成PN接面。 電洞 （多數載子） 負離子 接面 正離子 自由電子 （多數載子） 自由電子 （少數載子） 施體離子 受體離子 電洞 （少數載子） P型 空乏區 N型 (a) PN接面

  11. 未加偏壓的PN接面 • 當擴散達到平衡狀態時，PN接面附近的離子層中，便不再有電子與電洞擴散進入復合，這個區域稱為空乏區。 • 空乏區會產生一個電位差，以阻止多數載子進入，這個電位差稱為障壁電位。 電子與電洞復合 形成離子層並阻止多數載子持續擴散 P型 N型 P型 N型 (b) 電子擴散通過PN接面 (c) 電子擴散後的PN接面 ▲ 圖2-10 未加偏壓的PN接面

  12. 順向偏壓的PN接面 • 正極接於P型側，負極接於N型側，如此會中和空乏區內的正負電荷，空乏區的寬度會縮小，此時障壁電位也會降低。 電洞流 IF 電子與電洞復合 自由電子移向空乏區 電洞移向空乏區 P型 空乏區 （縮小） N型 ▲ 圖2-11 加順向偏壓的PN接面

  13. 逆向偏壓的PN接面 • 正極接於N型側，負極接於P型側，結果造成空乏區的寬度擴大，P型區與N型區的多數載子無法穿越空乏區，因此沒有電流產生。 電洞遠離空乏區 自由電子遠離空乏區 P型 空乏區 （擴大） N型 (a) 無多數載子流

  14. 逆向飽和電流 • 少數載子受到逆向偏壓作用，接面會產生小量的電流，稱為逆向飽和電流。 逆向飽和電流IS 自由電子 （少數載子） 電洞 （少數載子） P型 空乏區 N型 (b) 有少量少數載子流 ▲ 圖2-12 外加逆向偏壓的PN接面

  15. 二極體的V-I特性 二極體的電流： ▲ 圖2-15 二極體的V-I特性曲線

  16. 二極體的順向特性 • 順向特性：當電壓超越障壁電位後，只要再增加一點點電壓，便會有大量的電流產生，我們稱這個開始產生大量電流的電壓值為膝點電壓（VK）。 ▲ 圖2-17 二極體的順向特性曲線

  17. 二極體的逆向特性 逆向特性：當負電壓持續增加到某一數值時，逆向電流會突然急速增加，我們稱此時的二極體正處於崩潰狀態，而該逆向電壓值稱為崩潰電壓（VBR）或稽納電壓（VZ）。 ▲ 圖2-17 二極體的逆向特性曲線

  18. 二極體的溫度特性 逆向飽和電流與溫度的關係： 障壁電位與溫度的關係： ▲ 圖2-18 二極體的V-I特性 曲線與溫度的關係

  19. 二極體的電阻特性-1 靜態電阻（ 　）： • 分佈電阻（ 　）： ▲ 圖2-19 分佈電阻圖示 ▲ 圖2-20 靜態電阻圖示

  20. 二極體的電阻特性-2 • 動態電阻： ▲ 圖2-21 動態電阻的圖示

  21. 二極體的電容特性 擴散電容（ 　）： • 過渡電容（ 　）： (a) 等效電路 (b) 電容-電壓特性曲線 ▲ 圖2-22 二極體的電容效應

  22. 理想二極體模型 在順向偏壓時，可如短路般達到零電阻的狀態（順向導通），而在逆向偏壓時，又可以像開路般有無窮大的電阻（逆向截止）。 (b) 有少量少數載子流 (a) 特性曲線 ▲ 圖2-23 理想二極體的特性曲線與等效電路

  23. 簡化二極體模型 考慮障壁電位與順向電阻的 等效電路： 只考慮障壁電位的等效電路： (a) 特性曲線 (a) 特性曲線 (b) 等效電路 (b) 等效電路 ▲ 圖2-24 二極體第二近似的特性曲 線與等效電路 ▲圖2-25 二極體第三近似的特性曲 線與等效電路

  24. 一般二極體的功用-1 • 整流： 整流電路利用二極體具有順向導通、逆向截止的特性，使得電路只能作單向的導通，因此可以將交流電源轉成單一方向的直流電源。 ▲ 圖2-26 整流作用

  25. 一般二極體的功用-2 截波： 截波電路可以將輸入的信號截掉某一部分，使得輸出信號低於或高於某一信號電壓。 ▲ 圖2-27 截波作用

  26. 一般二極體的功用-3 • 箝位： 箝位電路可以將一個直流準位加在交流信號上，使得交流信號在這個準位上變化。 ▲ 圖2-28 箝位作用

  27. 特殊二極體的功用 • 稽納二極體通常應用在電源穩壓電路上。 變容二極體通常應用在調諧電路上，如電視或收音機的調諧器。 ▲ 圖2-29 稽納二極體的符號 ▲ 圖2-35 變容二極體的符號 發光二極體通常應用在數字顯示器、指示燈或電路的光源等方面。 透納二極體通常應用於高頻交換電路、振盪電路與微波電路等。 ▲ 圖2-30 發光二極體的符號 ▲ 圖2-36 透納二極體的符號

  28. LED發光原理與特性 發光 P型 通電後電子與電洞復產生光輻射 N型 (c)發光原理 (b)構造 (a)外觀 ▲ 圖2-31 發光二極體的外觀、構造與發光原理 LED的切入電壓約為1.7~3.3V（視材料而定），而逆向崩潰電壓則大約為5~6V。 ▲ 圖2-32 發光二極體的特性曲線

  29. 發光二極體所使用材料與發光顏色的比較 ▲ 圖2-33 各種發光二極體所使用材料與發光顏色的比較

  30. 稽納二極體逆向特性 一旦稽納二極體到達崩潰電壓後，逆向電壓急遽增大，此時稽納二極體兩端的電壓幾乎維持在這個電壓不變，這使得稽納二極體能夠成為穩壓的電子元件。 ▲ 圖2-37 稽納二極體在逆向偏壓時的特性曲線

  31. 稽納二極體等效電路 只考慮稽納電壓的等效電路： (a)特性曲線 (b)等效電路 ▲ 圖2-38 稽納二極體理想的特性曲線與等效電路 考慮稽納電壓與稽納電阻的等效電路： (b)等效電路 (a)特性曲線 ▲ 圖2-39 稽納二極體近似的特性曲線與等效電路

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