2-1 本質半導體 2-2 N型半導體與P型半導體 2-3 PN接面二極體 2-4 二極體的偏壓 2-5 二極體的電壓-電流特性曲線

2-6 二極體的等效電路 2-7 稽納二極體 2-8 發光二極體

2-1 本質半導體 P24 一、半導體 導電性介於導體和絕緣體之間的材料(例如：矽、鍺、 　碳、砷化鎵及磷化銦)，則稱為半導體(semiconductor)。 二、原子的結構 常用的半導體材料矽和鍺的原子結構，如圖2-1-1所示。 　電子的軌道由內而外依序稱為K、L、M、N、O、P、Q， 　每一層所可容納的最大電子數為2n2。 離原子核越遠的電子具有越高的能量，所以K層的電子能 　量最低，Q層的電子能量最高。 在原子的最外層軌道上的電子，稱為價電子。

2-1 本質半導體 P24 矽的最外層軌道有4個電子，所以稱為四價元素；鍺的最 　外層軌道也有4個電子，所以也是四價元素。

2-1 本質半導體 P25

2-1 本質半導體 P25

2-1 本質半導體 P25 三、本質半導體 不含其他雜質的純半導體(例如：純矽或純鍺)稱為本質半 　導體(intrinsic semiconductor)。 在絕對零度(0K即－273℃)時，四價本質半導體的結構， 　如圖2-1-3所示，每個原子都會與周圍的四個原子共用價 　電子，使最外層軌道變成8個電子的穩定狀態，形成所謂 　的共價鍵(covalent)而將電子束縛在共價鍵內，所以在絕 　對零度時半導體無法導電，好像是一個絕緣體。

2-1 本質半導體 P25

2-1 本質半導體 P26 在室溫下，有少數價電子可從環境吸收熱能而獲得足夠 的額外能量(矽約1.1電子伏特，鍺約0.72電子伏特)，脫 　的額外能量(矽約1.1電子伏特，鍺約0.72電子伏特)，脫 　離共價鍵而成為自由電子(free electron)，如圖2-1-4所 　示。每產生一個自由電子就會在共價鍵留下一個空位，　 　這個空位稱為電洞(hole)。

2-1 本質半導體 P26 自由電子可以在材料中自由移動，不受到任何原子的束 縛。因為吸熱而產生的自由電子與電洞成對(pair)出現， 　而形成所謂的電子-電洞對(electron-hole pair)，在本質半 　導體內，自由電子與電洞的數目相等。電子-電洞對使本　 　質半導體具有導電性。

2-1 本質半導體 P26 四、電子流與電洞流 自由電子朝正電壓端移動，形成電流。稱為電子流 (electron current)。 由電洞的移動而形成的，稱為電洞流(hole current)。 當半導體的兩端加上電壓時，電洞就會朝負電壓移動， 　形成電洞流。

2-1 本質半導體 P27

2-2 N型半導體與P型半導體 P29 一、摻雜 為了使半導體能夠傳導較大的電流，因此在製造半導體元 　件時會在矽或鍺中加入少數五價元素或三價元素，以便產 　生較多的自由電子或電洞。這種摻入雜質的製造過程稱為 　摻雜(doping)。被加入之少數元素稱為雜質(impurity)。含 　有雜質的半導體則稱為外質半導體 　(extrinsic semiconductor)。 二、N型半導體 如果在矽或鍺中摻入五價元素，如磷(P)、砷(As)、銻(Sb) 　及鉍(Bi)等雜質，此種半導體稱為N型半導體。

2-2 N型半導體與P型半導體 P29 在N型半導體內，有因為摻入五價元素而產生的大量自由 　電子，也有因為熱能產生的少量電子-電洞對帶來的少量 　電洞，所以在N型半導體內自由電子稱為多數載子　 　(majority carriers)，在N型半導體內電洞稱為少數載子 　(minority carriers)。N型半導體的導電主要是靠自由電子 　的移動達成的。

2-2 N型半導體與P型半導體 P30 三、P型半導體 如果在矽或鍺中摻入三價元素，如硼(B)、銦(In)及鎵(Ga) 　等雜質，每個三價元素與鄰近的四價元素(矽或鍺)形成共 　價鍵時，會因為缺少一個價電子而產生一個電洞(空位)，　 　如圖2-2-2所示，此種半導體稱為P型半導體。P是 　positive(正)的字首。

2-2 N型半導體與P型半導體 P30 雖然P型半導體有較多的電洞，但因為總質子數與總電子 數相等，所以仍呈現電中性(不帶電)。 　數相等，所以仍呈現電中性(不帶電)。 在P型半導體內，有因為摻入三價元素而產生的大量電 　洞，也有因為熱能產生的少量電子-電洞對帶來的少量自 　由電子，所以在P型半導體內電洞稱為多數載子，自由電 　子稱為少數載子。P型半導體的導電主要是靠電洞的移動 　達成的。

2-2 N型半導體與P型半導體 P30

2-3 PN接面二極體 P32 一、PN接面 PN接面二極體(PN junction diode)，簡稱為二極體

2-3 PN接面二極體 P33

2-3 PN接面二極體 P33 二、空乏區 空乏區內的正離子會排斥電洞，負離子會排斥自由電子， 　因此阻止了自由電子與電洞的繼續結合，而產生平衡狀 　態。 三、障壁電位 空乏區的正負離子所形成的電位差稱為障壁電位(barrier 　potential)。P側帶負電，N側帶正電。障壁電位的大小由　 　半導體材料的種類、摻雜的程度及溫度等決定。在室溫 　下，矽約為0.6V～0.7V，鍺約為0.2V～0.3V。

2-4 二極體的偏壓 P34 一、順向偏壓

2-4 二極體的偏壓 P35 二、逆向偏壓

2-4 二極體的偏壓 P35 三、逆向飽和電流(漏電流) PN接面在加上逆向偏壓時，所產生的微小電流稱為逆向 　飽和電流(reverse saturation current，簡記為IS)或漏電流 　(leakage current)。溫度愈高，逆向飽和電流就愈大。 註：因為矽的電流較小，耐高溫又便宜，所以目前的半導體元件多採用矽製造。

2-4 二極體的偏壓 P36 四、崩潰 若不斷把逆向偏壓增加，則當逆向電壓達到崩潰電壓 　(breakdown voltage)時，共價鍵會被破壞而產生大量的電 　子-電洞對，造成大量的逆向電流，此時若不設法限制電　 　流的大小，二極體將被破壞(燒燬)。

2-4 二極體的偏壓 P36 五、二極體的電路符號 符號上的箭頭方向是表示電流容易通過的方向。

2-5 二極體的電壓-電流特性曲線 P38 一、順向偏壓下的電壓-電流特性曲線

P38 2-5 二極體的電壓-電流特性曲線 (1)當順向電壓小於切入電壓(cutin voltage，簡記為VC)時， 沒有順向電流產生。 　 沒有順向電流產生。 註：切入電壓約等於障壁電位，矽約0.6V，鍺約0.2V。 (2)膝點電壓VK，矽約0.7V，鍺約0.3V。 (3)當順向電壓VF大於膝點電壓VK時，縱然IF大量增加， 　 VF只會少許上升。

2-5 二極體的電壓-電流特性曲線 P39 二、逆向偏壓下的電壓-電流特性曲線

P39 2-5 二極體的電壓-電流特性曲線 (1)當逆向電壓VR＝0時，沒有逆向電流。 (2)在逆向電壓大於零而小於崩潰電壓VBR時，會出現一個很 　 小的逆向電流，稱為逆向飽和電流(IS)。 註：在崩潰之前，IS保持不變，與逆向偏壓的大小無關。 (3)當逆向電壓大於崩潰電壓時VBR，電流快速增加，但是 　 二極體兩端的電壓卻增加的很少。

2-5 二極體的電壓-電流特性曲線 P40 三、完整的電壓-電流特性曲線

P40 2-5 二極體的電壓-電流特性曲線 四、溫度對二極體的影響(溫度效應) 矽二極體溫度每上升1℃，VF就會下降大約2.5mV。鍺二

P40 2-5 二極體的電壓-電流特性曲線 溫度升高時，二極體的逆向飽和電流會增大，請參考圖 　2-5-5。溫度每升高1℃，二極體的逆向飽和電流會增加 　大約7%，所以溫度每上升10℃二極體的逆向飽和電流就 　會變成原來的2倍(因為1.0710＝2)。但是在逆向電壓小於 　崩潰電壓時，二極體的逆向飽和電流實在太小了，所以 　一般都予以忽略。

2-5 二極體的電壓-電流特性曲線 P41

2-6 二極體的等效電路 P42 一、理想的二極體模型(ideal diode model) 　體的等效電路是一個開關。

2-6 二極體的等效電路 P42

2-6 二極體的等效電路 P43

2-6 二極體的等效電路 P43

2-6 二極體的等效電路 P44

2-6 二極體的等效電路 P44

2-6 二極體的等效電路 P45 二、二極體的定值電壓模型(constant voltage model) 二極體在順向導電時，兩端有一個電壓降VK(鍺約0.3V，矽 　約0.7V)，其等效電路則可如圖2-6-9(b)，以一個理想二極 　體串聯一個電壓降VK來表示。

2-6 二極體的等效電路 P46

2-6 二極體的等效電路 P46

2-6 二極體的等效電路 P46

2-6 二極體的等效電路 P48 三.二極體的完整模型(complete diode model) 實際的二極體在順向導通時，其順向電壓會隨著順向電流 　的增加而緩慢的增加。因此二極體的完整模型如圖2-6-14 　(b)所示，包含了切入電壓VC與順向動態電阻rd。

2-6 二極體的等效電路 P48 二極體的順向動態電阻rd為 因為二極體的完整模型只用在精密分析，所以通常只採用 　理想二極體模型或定值電壓模型來分析及設計電路。

2-6 二極體的等效電路 P48

2-6 二極體的等效電路 P49

2-7 稽納二極體 P50 一、稽納二極體的特性

2-7 稽納二極體 P50 稽納二極體的特性曲線，如圖2-7-2所示。 由於IZ在IZmin與IZmax之間時，稽納二極體兩端的電壓保持 　於VZ(稱為稽納電壓)，穩定不變，因此稽納二極體可以 　作為穩壓之用。

2-7 稽納二極體 P50

2-7 稽納二極體 P52 三、基本穩壓電路 最基本的穩壓電路如圖2-7-5所示，此種電路之必要條件 　為E必須足夠大，以便使ZD工作於崩潰區而產生穩壓作 　用。

2-7 稽納二極體 P52

2-7 稽納二極體 P52

2-7 稽納二極體 P53

2-7 稽納二極體 P53

2-7 稽納二極體 P53 由以上三個例子，我們可以看出當電源電壓E變動或負載 RL(亦即IL)發生變動時，由於IZ的大小自動調整，因此可 　以另負載兩端的電壓Vo維持不變。

2-7 稽納二極體 P54

2-7 稽納二極體 P54

2-7 稽納二極體 P54

2-7 稽納二極體 P56

2-7 稽納二極體 P57

2-7 稽納二極體 P57

2-7 稽納二極體 P58

2-7 稽納二極體 P58

2-7 稽納二極體 P59

2-7 稽納二極體 P59

2-7 稽納二極體 P59

2-7 稽納二極體 P60

2-8 發光二極體 P61 一、LED的發光原理 通過順向電流就會發出光線的二極體，稱為發光二極體 　(light-emitting diode，LED)

2-8 發光二極體 P61 二、LED的特性 LED的順向電壓依製造材料而異，LED的VF大約在1.2V 　～3.2V之間。

2-8 發光二極體 P62

2-8 發光二極體 P62 請注意！LED的崩潰電壓很低(大約只有3V～10V)，所以 　在交流電路中使用，必須如圖2-8-4所示，串聯一個矽二 　極體D來保護LED。

2-8 發光二極體 P62 三、LED的應用 因為LED有消耗功率小、壽命較白熾燈長及不易破裂等優 　點，目前被大量用為指示燈、數字顯示器、液晶螢幕的背 　光、手機按鍵的背光、交通號誌(紅綠燈)、電腦字幕機、 　小夜燈、招牌與手電筒等。

2-8 發光二極體 P62

2-8 發光二極體 P63

2-8 發光二極體 P63

2-8 發光二極體 P64