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第 2 章 二極體 2-1 本質半導體 2-2 P型及N型半導體 2-3 P-N接面二極體 2-4 二極體之特性曲線 2-5 二極體之偏壓

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1 第 2 章 二極體 2-1 本質半導體 2-2 P型及N型半導體 2-3 P-N接面二極體 2-4 二極體之特性曲線 2-5 二極體之偏壓
第 2 章 二極體 …………………………………………………………… 二極體之偏壓 二極體之特性曲線 P-N接面二極體 P型及N型半導體 本質半導體 二極體之等效電路模型 稽納二極體 發光二極體

2 2-1 本質半導體 1.原子結構 2.電子軌道的電子排列 每一能層所能容納的最大滿額電子為 ,其中 n 表示該能層的層數。
(原子不帶電  呈電中性) 原子核(帶正電) 原子核外 質子(帶正電) 中子(不帶電、中性) 電子(帶負電) 繞原子核外之軌道運行 2.電子軌道的電子排列 每一能層所能容納的最大滿額電子為  ,其中 n 表示該能層的層數。 ………………………………………………………………………….… 2-1 本質半導體 節目錄

3 3. 矽(Si)與鍺(Ge)的原子結構

4 (3)矽與鍺最外層之電子數目都是4個,為四價元素。
層次 K L M N 矽(14) 2 8 4 鍺(32) 18 半導體 (1)矽與鍺為最主要的半導體材料。 (2)矽的原子序數為14,鍺的原子序數為32。 (3)矽與鍺最外層之電子數目都是4個,為四價元素。

5 4.電子電洞對

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7 (1)在絕對零度0K時,晶體的作用有如一絕緣
體。 (2)電子由價帶進入傳導帶所需的能量,鍺約 為0.7eV,矽約為1.1eV。

8 5.電子與電洞之移動 (1)圖中,空圓圈代表一個電洞。 (2)在本質半導體中,電子載子的濃度與電洞載子的濃度相等。

9 2-2 P型及N型半導體 ………………………………………………………………………….… 1.P型材料 節目錄

10 (1)摻入雜質(三價元素):硼(B)、鋁(Al)、
鎵(Ga)、銦(In)等。 (2)受體:雜質原子接受電子而促使電洞的活動。 (3)電性:中性。 (4)多數載子:電洞;少數載子:自由電子。 (5)公式: 自由負電荷濃度 與正電荷濃度 之乘積,在 熱平衡下,與摻入之雜質無關,而為一定值。

11 2.N型材料

12 (1)摻入雜質(五價元素):磷(P)、砷 (As)、銻(Sb)等。 (2)施體:雜質原子含有多餘的自由電子, 意即能夠施予電子。 (3)電性:中性。 (4)多數載子:自由電子;少數載子:電洞。 (5)公式:

13 3.N型與P型之特性比較

14 2-3 P-N接面二極體 1.二極體之構造 (1)離子固定於晶體格中,不可移動。 (2)施體離子→釋放出電子→帶正電
………………………………………………………………………….… 1.二極體之構造 (1)離子固定於晶體格中,不可移動。 (2)施體離子→釋放出電子→帶正電 受體離子→吸收電子→帶負電 節目錄

15 2.二極體之符號 (1)黑點或黑帶的標記通常指的是陰極。 (2)陽極-較高或正的電位;陰極-較低或負的電位。 (3)體積愈大,愈能承受較大的散逸功率。

16 3.PN接面工作的情形 (1)未加偏壓的情形

17 接面兩端的電子與電洞雖互有擴散,但其作用相互抵消,| I |=0。
空乏區域:沒有自由電子和電洞,有正、負離子。 障壁電壓:P區(負離子)與N區(正離子)所形成之電位,鍺約為0.2~0.3V,矽約為0.6~0.7V。 公式: 空乏區域中,正電荷總量必須等於負電荷總量。

18 (2)逆向偏壓的情形

19 逆向偏壓:P接負電壓,N接正電壓。 影響:空乏區寬度變寬,障壁電勢增加。 逆向飽和電流IS:逆向偏壓所存在的電流。

20 (3)順向偏壓的情形

21 順向偏壓:P接正電壓,N接負電壓。 影響:空乏區寬度變窄,障壁電勢減少。 順向電流ID:隨順向偏壓的增加而加大。

22 2-4 二極體之特性曲線 ………………………………………………………………………….… 1.順向偏壓 節目錄

23 (1)動作原理:

24 (3)二極體之V-I特性曲線為一非線性特性。

25 2.逆向偏壓及崩潰區 (2)若將逆向偏壓增加到某一數值時,電流急速增加,二極體將處於逆向崩潰狀態。 逆向崩潰狀態 累增效應:碰撞引起。 稽納效應:強電場引起。

26 3.溫度效應

27 (3)溫度上限 (1)障壁電壓

28 4.電容效應

29 (1)PN接合面的空乏區相當於電介質,P型區及N型區相當於兩個電極。
當逆壓愈大時,空乏區寬度d變大,電容量C則 降低,C與外加逆向偏壓成反比。

30 5.電阻效應 (1)分布電阻  (外加順壓1V) (2)靜態電阻(或稱直流電阻): (3)動態電阻(或稱交流電阻):

31 6.矽與鍺二極體之特性比較

32 2-5 二極體之偏壓 1.順向偏壓 (1)直流電壓之正極接於P (陽極)端,負極接於N (陰極)端。
………………………………………………………………………….… 2-5 二極體之偏壓 (1)直流電壓之正極接於P (陽極)端,負極接於N (陰極)端。 (2)若順向偏壓大於障壁電壓,則有順向電流 (方向由P型到N型)。 節目錄

33 2. 逆向偏壓 (1)直流電壓之正極接於N 端,負極接於P 端。 (2)有一極小量的電流,稱為逆向飽和電流IS。 (3)二極體所能承受而不致於產生崩潰效應的最大逆向耐壓值,稱為逆向峰值電壓(簡稱PIV)。

34 1.理想二極體 ………………………………………………………………………….… 2-6 二極體之等效電路模型 節目錄

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36 2.定值電壓模型(含障壁電壓)

37 (3)定值電壓模型是考慮了障壁電壓,忽略了順向內阻。

38 3.片斷線性模型(含障壁電壓及順向內阻)

39 (1)在順向特性曲線上,利用直的線段來近似於二極體的特性曲線。

40 2-7 稽納二極體 ………………………………………………………………………….… 1. 稽納二極體的符號與等效電路 節目錄

41 (2)摻雜之濃度增加時,稽納電位將隨之降低。
(3)工作於逆向崩潰區,供穩壓用。

42 2.稽納二極體特性

43 (1)特性 順向偏壓:與一般二極體相同。 (3)崩潰方式

44 3.稽納二極體的應用 (1)負載變動的電壓調整

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48 (2)輸入電壓變動的輸出電壓調整

49 2-8 發光二極體 ………………………………………………………………………….… 1.LED之電路符號、偏壓安排及電發光過程 節目錄

50 (1)在順偏的P-N接合面,在靠近接面處會發生電子與電洞的復合作用,使自由電子所具有的能量轉變成熱能或光子的形式放射出來。
(2)材料:磷砷化鎵(GaAsP)或磷化鎵(GaP)。

51 2.LED典型的特性曲線(一)

52 (1)圖(a)中,LED有較大的 電壓(約為1.7~3.3V)。
(2)圖(b)中,LED的相對發光強度與順向電流成正比關係。 (3)圖(c)中,在某一特定頻率下脈波寬度愈寬時,容許的峰值電流愈低。

53 3.LED典型的特性曲線(二)

54 (1)圖(d)中,顯示出LED的發光強度在0°(或正前方)時強度最大,在90°(從側面看)時強度最小。
(2)圖(e)中,為一典型紅色LED的光輸出與波長。 (3)圖(f)中,為紅外線的LED輸出,其波長以微毫米(nm)表示。

55 4.LED七段顯示器

56 (1)目前所使用的LED有紅光、綠光、黃光、橙色光以及白色光等多種。
(2)使用的材料決定發射光的光譜分布。 (3)LED具有快速的響應時間、低消耗功率、壽命長及耐震等特性。

57 5. LED的應用 (1)主要當作指示燈及數字顯示器。 (2)廣泛使用在儀器、消費性產品及科學儀器上(諸如廣告看板、交通號誌、車用頭尾燈、手機等)。


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