二極體雖然是半導體元件中結構最簡單者,而它的一些原理與特性卻是構成
其他半導體元件的基石,所以我們在此漸近且詳盡地介紹半導體的特性。以
下分成各小來說明。
(1)在化學元素中,原子最外層軌道上的電子,我們稱之為價電子,而常用的
半導體材料為矽(silicon, Si)和鍺(germaniun, Ge)最外層軌道都具有四個價電
子。每一原子為了保持電性及化學特性最穩定狀態,最外層具有8個價電子,
並且這8個價電子是成對的與鄰近的四個原子共有的,這成對的電子吾人稱它叫
共價鍵,如下圖(a)所示。
(2)電子被束縳於共價鍵,以玫純半導體不導電。但是當溫度高於絕對零度時 ,電子因吸收能量而使之運動速度加度加大,甚至部分電子脫離共價鍵,成為帶 負的自由電子。電子脫離共價鍵後,在原位留下一個空位,而且原子就成為帶正 電荷的正離子,所以這個空位我們稱之為帶正電荷的電洞。如上圖(b)。
(3)在室溫下,矽和鍺都有少許自由電子存在,故其具有導電能力,導電係數 介於絕緣體和導體之間。由下表可以看出關係。
(1)若純半導體中摻入五價元素,由於價電子間會互相結合形成共價鍵,而五 價的雜質與四價的矽每形成一共價鍵便多出一自由電子,此半導體稱之為N型半 導體。由於摻入丕價元素後電子數全增加,故五價元素稱為施體。如下圖所示。
(2)在N型半導體中,自由電子佔大多數,故稱多數載子。相對的,因受熱而 破壞共價鍵產生的電子電洞對是少數,所以電洞在N型半導體中稱為少數載子。 因摻入五價雜質,自由電子數加,以致半導體的導電率提高,而電阻值下降。
(1)相對於N型半導體,當在純矽中摻入三價元素的雜質,使得每個矽原子與
三價雜質結合產生共價鍵時,便缺少一電子,也就是多一個電洞,如此半導體稱
之為P型半導體。由於加入三元素,半導體原子中空位增多,故稱三價元素為受
體,如下圖所示。
(2)在P型半導體中,多數載子為電洞,少數載子電子。
(3)P型半導體也因多數載子比純半導體多,以致導電率提高,而電阻值下降
。
(1)P型半導體與N型半導體接合後便成為二極體。在剛接合時,接面處電子 與電洞相結合,造成在靠近接面處的N型半導體失去電子後變成正離子,而P型 半導體失去電洞後變成負離子,此時正離子排斥電洞,負離子排斥電子,因而阻 止了電子與電洞繼續結合,達到平衡狀態,維持了小宇宙的和諧。
(2)在P-N接面附近,有一區域沒有自由載子為電子與電洞,只有帶正負電 的離子,此區域吾人稱之為位能障壁(potential barrier)VB,一般而言鍺的 P-N接面位能障壁為0.2V,而矽為0.6V,如圖下所示。
(1)當外加真流電源的正端接到二極體的P極,而將負端接到N極,就構成二
極體的順向偏壓。如下圖所示。
(2)外加偏壓克服了P-N接面的位能障壁,使自由電子由電源的負極經過二 極體的N極很容易地通過接面,與P極的多數載子--電洞復合,變成價電子, 通過P極到達電源的正端,以致產生大量的順向電流。
(1)當外加真流電源的正端接到二極體的N極,而將負端接到P極,就構成了
二極體的逆向偏壓。如下圖所示。
(2)二極體在逆向偏壓下,使N型區的自由電子遠離接面而移動至電壓正端, P型區的電洞亦遠離接面而移動至電壓負端,結果n極的正離子與p極的負離子 增加,空乏區也隨之加寬。直到位能障壁的電位差等於外加電壓為止。
(3)此時P極與N極的少數載子因熱能而有限地增加,產生的逆向電流很微小 ,通常以飽和電流(saturation current,Is)來表示。