概論

純半導體

N型半導體

P型半導體

P-N接合

順向偏壓

逆向偏壓


概論

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。

純半導體

(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。

共價鍵

(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。

N型半導體

(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。

N型半導體

(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。

P型半導體

(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。

P型半導體

(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

P-N接合

(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。

P-N接面圖

順向偏壓

(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。

二極體加上順向偏壓

(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。

逆向偏壓

(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。

二極體加上逆向偏壓

(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。


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