一、半導體的意義 二、半導體的材料 三、半導體的種類 四、半導體的導電原理 五、摻雜 六、n 型半導體 七、p 型半導體 八、二極體

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1 一、半導體的意義 二、半導體的材料 三、半導體的種類 四、半導體的導電原理 五、摻雜 六、n 型半導體 七、p 型半導體 八、二極體
九、二極體的偏壓 十、二極體的整流功能 十一、電晶體 十二、積體電路 十三、臺灣的半導體產業 本節選單 範例1 範例2 1 of 58 回章目錄 下一頁

2 一、半導體的意義 1.顧名思義，半導體(semiconductor)的導電性不如導體，但卻要比絕緣體來得好。
2.下頁圖藉由電阻率，顯示導體、半導體和絕緣體三者的導電性差異。半導體的電阻率，通常會隨溫度的上升或雜質含量的增加而降低，因此可以在相當大的範圍內變化。 講義第168頁

3 講義第168頁

4 二、半導體的材料 1. 目前已知的半導體材料約有六百種，大多為週期表第4A族(第14族) 元素（例如矽、鍺）構成的元素半導體(elemental semiconductor)，以及第三-五族(第13-15族，例如砷化鎵GaAs)或第二-六族(第12-16 族，例如硒化鋅ZnSe)元素所組成的化合物半導體(compound semiconductor)。 講義第169頁

5 2.以矽製成的電子元件，應用最為普遍，但這類元件缺乏發光能力；若要具備發光能力的光電半導體元件，例如光發射二極體(light emitting diode，LED，詳見§11-4)與雷射二極體(laser diode，LD)，則可利用第 族或第 族的化合物半導體，諸如砷化鎵或硒化鋅等。 講義第169頁

6 三、半導體的種類 (1)半導體可分成純半導體與雜質半導體兩大類，前者亦稱本質半導體(intrinsic semiconductor)，後者亦稱外在半導體(extrinsic semiconductor)。 (2)純半導體如矽、鍺與砷化鎵的單晶體，化學成分極純，導電性低，但如摻雜(doping)微量的雜質，則可改變其導電特性，而變成用途較廣的雜質半導體(詳見重點五)。 講義第169頁

7 四、半導體的導電原理 1.純矽的結構 茲以純矽半導體，來說明半導體的導電原理。
矽原子有14個電子，其中有4個排列於最外層，這4個在最外層的電子，稱為「價電子」，如下頁圖(a)所示。矽原子與矽原子間，共用這些價電子形成共價鍵，而將彼此緊緊拉在一起，如下頁圖(b)所示。 講義第169頁

8 講義第169頁

9 2.電洞 (1)物質內部的電子，有些難免會因為熱運動而掙脫原子的束縛，成為自由電子。常溫下，此效應在一般物質中並不顯著，但在矽與鍺等半導體中，則較為明顯。 (2)電子掙脫後，原子內部會出現空缺形成電洞(hole)，如右圖所示，而原子則由電中性變為離子而帶正電。 講義第169頁

10 (3)如下圖所示，當價電子向右填補電洞時，會造成電洞向左移動效果，因此電洞的電學性質就如同是一個帶正電且能自由移動的粒子一樣。所以電洞和自由電子一樣，對物質的導電性具有貢獻。在半導體內負責導電任務的自由電子與電洞，稱為載子(carrier)。 講義第169頁

11 3.純矽的導電原理 (1)自由電子的導電 (2)電洞的導電
自由電子受到電場作用時，其運動方向與電場方向相反，但其所造成的電流方向與電場方向相同。 (2)電洞的導電 講義第170頁 電洞在電場中的行為如同一個帶正電的粒子，故受到電場作用時，其運動方向與電場方向相同，且其所造成的電流方向與電場方向相同。

12 五、摻雜 1. 在純半導體內，當原子熱運動產生一個自由電子時，一定會留下一個電洞，亦即自由電子與電洞成對產生的，所以自由電子與電洞的濃度必相等。 2. 由於原子的共價鍵結合非常穩定，因此所能生成的自由電子和電洞的數目很少（常溫時，約每十兆個共價鍵才會有一個鍵斷開而形成一個自由電子和電洞），所以純半導體的導電能力相當低。 講義第170頁

13 3. 如果在純半導體內摻入微量的雜質原子，則能大幅度地提升半導體的導電能力，此過程稱為摻雜。一般所摻入的雜質原子的濃度很低，一般約為1016個/ cm3，約僅占全部原子數的一千萬分之一，卻可使純半導體內自由電子或電洞的密度約增加一百萬倍。但除了半導體的導電能力大幅提升外，其他物理性質如熔點、 密度等等，幾乎沒有什麼變化。 4. 在添加雜質後，半導體內能產生電流的多數帶電粒子(可能是自由電子或電洞)，稱為多數載子(majority carrier)。在添加雜質後，半導體內少數的帶電粒子(可能是自由電子或電洞)，稱為少數載子 (minority carrier)。 講義第170頁

14 六、n 型半導體 1.如右圖所示，在純矽中摻入少量的第5A族(第15族，如磷、砷、銻)取代部分矽原子，由於第5A族元素的最外層有5個價電子，其中4個電子與周圍的矽原子共用，剩餘1個價電子，故每個雜質原子將多出一個不受原子束縛的自由電子。所摻入的第5A族原子稱為 （donor）。 講義第170頁 施體

15 2.在純矽中摻入少量的第5A族元素後，在矽半導體內原已稀少的電洞，很容易與自由電子的復合，而使得濃度變得更低，因此這類半導體內的自由電子的數目遠超過電洞，帶 (negative)的 成為多數載子，擔任主要的導電任務，故這類雜質半導體就稱為 n 型半導體(n-type semiconductor)。此種半導體的載子濃度幾乎等於雜質濃度。 負電 自由電子 講義第170頁

16 七、p 型半導體 1.如右圖所示，在純矽中摻入少量的第3A族(第13族，如硼、鋁、鎵)取代部分矽原子，由於第3A族元素的最外層有3個價電子，與周圍的矽原子鍵結時，尚不足1個價電子，故每個雜質原子可提供一個電洞。所摻入的第3A族原子稱為 (acceptor)。 講義第170頁 受體

17 2.在純矽中摻入少量的第3A族元素後，使半導體中的電洞濃度將遠大於自由電子濃度，帶 .
(positive)的 成為多數載子，擔任主要的導電任務，故這類雜質半導體就稱為 p 型半導體 (p-type semiconductor)。此種半導體的載子濃度 亦幾乎等於雜質濃度。 正電 電洞 講義第170頁

18 八、二極體 1. p-n 接面二極體 (1)將n型半導體與p型半導體結合在一起的電路元件稱為p-n接面二極體（p-n junction diode），簡稱二極體（diode），如下頁圖(a)所示，其電路符號則如下頁圖(b)所示。 講義第171頁

19 講義第171頁

20 2.空乏區 (1)在p-n 二極體中，n 型區的自由電子遠多於 p 型區，因此會擴散，在越過接面後，與 p 型區的電洞結合，使鄰近接面的雜質原子變成負離子。同理，p 型區的電洞，會越過接面，擴散到 n 型區與自由電子結合，使鄰近接面的雜質原子變成正離子，如下圖所示。 講義第171頁

21 (2)此種擴散作用使 p 型區的負離子及 n 型區的正離子，持續增加，直到離子所建立的電場（自 n 指向 p）夠強時，就會阻止擴散的進行，最後在鄰近接合面的兩側形成一個沒有自由電子也沒有電洞的區域，稱為空乏區(depletion region)，相當於具有 的區域，如下圖所示。 高電阻 講義第171頁

22 (3)空乏區寬度視雜質濃度而定，約為 0.1～1.0 微米，十分狹窄，卻決定了二極體的工作特性。
(4)空乏區在 p 區及 n 區未必等寬，需視雜質的濃度而定。舉例而言，若雜質濃度為 n 型區大於 p 型區，由於空乏區內施體與受體離子的數目相同，因此濃度大的，寬度較小，故 n 型半導體內空乏區的寬度應較小。 講義第171頁

23 九、二極體的偏壓 1.正向偏壓 (1)如下頁圖所示，將二極體 p 端的電極接到電池的正極，n 端的電極接到電池的負極，這種接法稱為正向偏壓( forward bias )。 講義第172頁

24 講義第172頁

25 (2)正向偏壓時，電池的電壓使二極體的內部受到一外加的電場，其方向從 p 邊指向 n 邊，與空乏區的內建電場方向相反，可使空乏區的電場減弱，空乏區因而縮小，電阻 ，而在 p 型區的電洞與 n 型區的自由電子，則在外加電壓的驅使下，跨越空乏區，向兩端前進，因而出現由 p 向 n 的電流，使電路形成 狀態。 降低 通路 講義第172頁

26 2.反偏壓 (1)如下圖所示，將二極體 p 端的電極接到電池的負極， n 端的電極接到電池的正極，這種接法稱為反偏壓或逆向偏壓( reversed bias )。 講義第172頁

27 (2)反偏壓時，電池的電壓使二極體的內部受到一外加的電場，其方向從n邊指向 p 邊，與空乏區的內建電場方向相同，將使空乏區擴大，電阻升高，不利自由電子與電洞的流動，能越過空乏區的只有微量的 p 端自由電子與 n 端電洞（兩者均因熱運動而產生），形成由 n 端向 p 端的極微弱電流，使電路如同處於 狀態。 斷路 講義第172頁

28 3. 二極體的電流－電壓曲線 (1)常見之 p-n 二極體多為矽材料製成，其電流－電壓曲線如下圖所示。 講義第172頁

29 (2)由右圖可看出，矽二極體的正向偏壓必需大於0
(2)由右圖可看出，矽二極體的正向偏壓必需大於0.7伏特以上時，才能產生明顯的電流，這個電壓稱為二極體的 (turn on voltage)或 (cut in voltage）。 導通電壓 切入電壓 講義第172頁 (3)當正向偏壓超過導通電壓後，電流便會急遽的增大，所以必須串聯一電阻來限制它，此時跨於正向偏壓二極體的電壓，會一直維持在其導通電壓的值。

30 (4) 由此圖可看出，當反偏壓(VD＜0)超過 1 伏特左右時，電流將達一很小的飽和值，稱為逆向飽和電流(reverse saturation current)或漏電流(leakage current) ， 但若持續增加 電壓，將導致二極體崩潰，我們稱二極體能承受的最大反向電壓值為崩潰電壓( breakdown voltage )。逆向飽和電流與逆向偏壓的大小沒有太大關係，但對溫度的反應甚為靈敏。 講義第172頁

31 十、二極體的整流功能 (1)二極體具有單向導通電流的作用，可作為整流器(rectifier)，將交流電轉變為直流電。
(2)下頁圖(a) 所示為半波整流器(half-wave rectifier)的電路圖，左方插頭代表交流電源，T 為變壓器，D 為二極體，RL 為負載電阻。當電壓 Vin > 0時，二極體處於正向偏壓，電阻低，其兩端電位差近乎為零，故負載電阻的電壓 Vout 約等於 Vin。當 Vin < 0 時，二極體為反偏壓，電阻高，通過二極體的電流很小，故負載電阻上的電壓近乎零。因此當交流電壓 Vin 隨時間變化時，跨過負載電阻的電壓 Vout 將如下頁圖(b)所示，出現半週期的整流效果。 講義第173頁

32 註： 利用半波整流器整流時，只能利用半個週期，效能不理想。我們可以藉由設計線路的方法來達到全波整流的效果，稱為全波整流器。其中一種原理比較簡單的全波整流器由四個二極體組成，請參考本章節「聯考試題Ⅱ進階挑戰題」第2～3題。 講義第173頁

33 範例1 在右圖的電路中，已知各電路元件均使用正常，電池的電動勢ε＝5 伏特，電阻 R＝10歐姆，且二極體D1、D2的導通電壓均為 0.6 伏特，則通過電阻的電流為 (A) 0.5 (B) 0.44 (C) (D) 0 安培。 講義第173頁 【95松山】

34 講義第173頁

35 二極體D、小燈泡L和電動勢為1.5V的電池（內電阻可以不計）組成如右圖所示的電路。此二極體的電流-電壓特性關係如附表所示。已知通
範例2 二極體D、小燈泡L和電動勢為1.5V的電池（內電阻可以不計）組成如右圖所示的電路。此二極體的電流-電壓特性關係如附表所示。已知通 通過小燈泡的電流為2.0mA，則此燈泡的耗電功率約為何﹖(A) 0.8 mW (B) 1.6 mW (C) 2.2 mW (D) 2.5 mW (E)3.0 mW。 【91指考】 講義第174頁 電壓(V) 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 電流 0.02μA 0.90μA 41μA 2.0mA 96mA

36 電壓(V) 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 電流 0.02μA 0.90μA 41μA 2.0mA 96mA (1)二極體 D 為正偏壓，其電流與通過小燈泡的電流相同，皆為2.0 mA，由附表可知，當二極體的電流為2.0 mA 時，其兩端的電壓為 0.4 伏特。 講義第174頁 (2)通過燈泡兩端的電壓

37 十一、電晶體 1.電晶體簡介 (1)電晶體的英文為 transistor是 transfer-resistor的合成字，其意義為「電阻轉變器」，換言之，電晶體是一種我們能控制其電阻大小的元件。 講義第174頁

38 (2)西元 1946 年，巴丁（John Bardeen， ，1956、1972年諾貝爾物理獎）、肖克萊(William Bradford Shockley， )與布拉頓(Walter Houser Brattain， )等三位美國物理學家，製造出第一個電晶體(transistor)，它有三個電極：射極(emitter，E )、基極(base，B )與集極(collector，C )，具有電流放大器的功能。因為電晶體是具有三個電極的半導體元件，所以又稱為 三極體。 講義第175頁

39 (3)今日的電晶體，主要分為雙極接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)與場效電晶體(field-effect transistor，FET)兩種，下圖為常見的電晶體。 講義第175頁

40 2.雙極接面電晶體 (1)簡介 (2)構造與電路符號
所謂「雙極」，是指這種電晶體工作時，電子與電洞皆參與導電；所謂「接面」是指此種電晶體是由兩個 p-n 接面所組成，故將這種電晶體稱之為雙極接面電晶體。 (2)構造與電路符號 講義第175頁 雙極接面電晶體是由兩個 p-n 接面鄰接而成，一般用於電流控制，又可分為npn 與 pnp兩型電晶體。下頁圖為其示意圖與電路符號。

41 講義第175頁

42 3. 場效電晶體 (1)簡介 場效電晶體是利用電極間產生的電場，產生改變電晶體電阻的作用，一般用於交流信號的放大，或數位資料的處理及控制、開關的操作，在今日電子產品中，其數量約占九成以上。 knpn或pnp型兩種電晶體在工作時，必須依靠電洞和自由電子間的互相作用，所以稱為雙極裝置。場效電晶體則為單極裝置，因為它工作時單靠電洞或自由電子中任何一種就可以了。 講義第175頁

43 場效電晶體又可分為兩大類，即接面場效電晶體(JFET，Junction Field Effect Transistor)和金氧半場效電晶體 (MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)。 講義第175頁

44 (2)接面場效電晶體 下圖(a)與圖(b)為兩種接面場效電晶體，均具有三個電極：源極S(source)、汲極 D(drain)及閘極 G(gate)。 講義第176頁

45 下圖(a)是在一塊 n 型半導體的兩邊各嵌入一層高摻雜濃度的 p 型半導體，當源極與汲極間加上電壓時， n 型半導體中的自由電子，可被驅動而在源極與汲極間形成電流，故 n 型半導體區稱為電流通道(channel) ，此種電晶體稱為 n 通道場效電晶體。 講義第176頁

46 下圖(b)是在一塊 p 型半導體的兩邊各嵌入一層高摻雜濃度的 n 型半導體，當源極與汲極間加上電壓時， p 型半導體中的電洞，可被驅動而在源極與汲極間形成電流，故此種電晶體稱為 p通道場效電晶體。
講義第176頁

47 m源極與汲極之間的半導體通道可視為一個電阻器， 而電阻器兩端的電阻值可表為 (其中ρ為材
而電阻器兩端的電阻值可表為 (其中ρ為材 料的電阻率，l 及 A 分別為電阻器的長度及截面積)，故其電阻值 R 與通道的截面積 A 成反比。若相對於源極端和汲極端，使閘極端處於正向偏壓或反偏壓，則可使閘極與通道間的空乏區減小或增大，有效改變截面積 A，因此就能改變源極與汲極間的電阻，使這種結構具備電晶體(電阻轉變器)的基本特性。 講義第176頁

48 (3)金氧半場效電晶體 j簡介 (a)另有一種由金屬、氧化層、半導體所製造的場效電晶體，稱為金氧半場效電晶體，具有源極、汲極、閘極及基板本體等四區。 (b)下頁圖所示為 p 通道金氧半場效電晶體，閘極為金屬—氧化層相疊的結構，基板本體為 n 型半導體，而源極區、汲極區及通道則為 p 型半導體。 講義第176頁

49 ※另有一種基板本體為 p 型半導體，而源極區、汲極區及通道則為 n 型半導體的n通道金氧半場效電晶體。
講義第176頁 ※另有一種基板本體為 p 型半導體，而源極區、汲極區及通道則為 n 型半導體的n通道金氧半場效電晶體。

50 (2)基本原理 閘極相對於基板本體若為負電壓，產生的電場可吸引更多的電洞至 p 型通道；而若為正電壓，則產生的電場將把一些電洞推離通道，故可改變通道的電阻，而發揮電晶體的效用。 講義第176頁

51 (3)應用 這種場效電晶體具有最少製造程序、最容易縮小化等優點，可普遍應用於數位電子電路中，如電腦的中央處理器(CPU)、記憶體、顯示卡和音效卡中的信號處理裝置等，以及家用電器中的各種視聽設備、電子遊樂器及操控裝置等。時至今日，此種場效電晶體不論在產量或用途上，都遠遠超過任何其他電子元件。 講義第176頁

52 十二、積體電路 沈嘉祥 提供 1.製造電晶體時，通常都是以矽為基板材料，將其表面的不同部分依製程順序分別暴露於滲入之雜質化學品、氧氣、金屬原子等，以依序形成各種 n 型與 p 型區、氧化矽絕緣體 及金屬極等。利用相同的製作過程，可將數以千萬計的電晶體、二極體、電阻器及其他電路元件，全部整合製作在一塊矽基板上，成為積體電路（integrated circuit，簡稱 IC，上圖）。 講義第177頁

53 2. 積體電路的製造流程可分為五大步驟：電路設計、晶圓（wafer，下圖）、光罩製作、晶片製造及晶片封裝，如下頁圖。
講義第177頁 沈嘉祥 提供

54 晶圓 講義第177頁

55 首先完成電路設計，接著製成光罩模。在晶片製造之前須先製備晶體圓柱，將其切成薄片，並研磨拋光成表面光滑的晶圓，做為基板。晶片製造是相當複雜且非常精密的一段製程，從製造到晶片檢查都需要龐大的設備投資與技術經驗。晶片製造後，需將晶圓基板切割成為具完整電路功能的晶片(chip)或晶粒(die)，再將晶片上的金屬接墊連接所需的導線，並將其封裝，即完成一實用的積體電路；最後則是進行晶片封裝與測試。 講義第177頁

56 十三、臺灣的半導體產業 1.台灣發展半導體產業已有數十年，形成獨特的產業分工架構，不同於一些先進工業國之經營方式。美、日的 IC 製造商大都採取垂直整合，即包括設計、製造、封裝、測試、行銷與系統發展的功能，而在國內，IC 製造則是與設計、封裝、測試等分離的。在此分工架構上，各製造廠僅需進行其中部分的製程，故能更加專注的改善其生產技術，增加生產效率。如此分工方式，具有生產上靈活調度與專精製程的優點，也更能因應半導體產業間供需急遽的競爭與合作關係。 講義第177頁

57 2.我國在半導體技術的運用上，已達世界領先之林，多項電子資訊產品的產量超越世界總產量之半。半導體技術進步發展的同時，也提升了其他產業的生產技術與能力，一改過去被視為低技術層次加工品輸出國之不良形象，奠定了我國成為中、高科技國家的基礎。 講義第177頁

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