2-1 半導體 2-2 二極體之特性 2-3 稽納二極體 2-4 發光二極體

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1 2-1 半導體 2-2 二極體之特性 2-3 稽納二極體 2-4 發光二極體
第二章 二極體 2-1 半導體 2-2 二極體之特性 2-3 稽納二極體 2-4 發光二極體

2 參考資料網址 Introducción a los Semiconductores-矽晶體共價鍵結構（youtube）： Semiconductors: 3D Animation -電子電洞對的產生（youtube）： 二極體基本介紹（維基百科）：

3 半導體 半導體是一個四價元素，有4個價電子，其導電性質介於導體與絕緣體之間。 本質半導體（純矽或純鍺晶體製成） 半導體
　　 本質半導體（純矽或純鍺晶體製成） 半導體 　　 外質半導體（含其他雜質） N型 Ｐ型

4 矽晶體 (1) +14 +4 ▲圖2-1 矽原子結構 4個價電子在最外層軌道 價電子 原子核 （質子與中子） (a) 矽原子
(b) 簡化後模型 ▲圖2-1 矽原子結構

5 矽晶體 (2) 共價鍵 ▲圖2-2 矽原子的晶體結構

6 矽晶體的共價鍵結構 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 矽 ▲圖2-3 矽晶體的共價鍵結構 共用價電子 共價鍵 (a) 矽原子間共用價電子
(b) 共價鍵示意圖 ▲圖2-3 矽晶體的共價鍵結構

7 絕緣體、半導體、導體的能帶 能隙愈大表示需要愈大的能量，才能使價電子移動至傳導帶，所以能隙較小的物質較容易導電。 (a) 絕緣體
(b) 半導體 (c) 導體

8 電子電洞對 當價電子獲得足夠能量脫離共價鍵而形成自由電子時，同時也會產生一個電洞，稱為電子電洞對。 ▲圖2-4 矽晶體結構的電子電洞對的產生
產生電子電洞對 復合 矽 ▲圖2-4 矽晶體結構的電子電洞對的產生 ▲圖2-5 電子電洞對的能帶示意圖

9 電子流 在本質半導體上外加一電壓，則位於傳導帶的自由電子將受到正電壓吸引而往正極移動，並在半導體的內部形成電子流來傳導。
自由電子受到正電壓吸引而往正極移動 ▲圖2-6 自由電子的傳導

10 電洞流 電洞本身並非實體的東西，實際上不會移動，但其鄰近的價電子會受外加電壓的影響來填補此處空缺，看起來就好像電洞往價電子移動的反方向移動。 矽 電洞向左移 電洞流 價電子向右移 – – – 自由電子 + + + 電洞 ▲圖2-7 電洞的傳導

11 N型半導體 在本質半導體中加入五價元素的雜質，如磷（P）、砷（As）、銻（Sb）等元素，這樣的外質半導體稱為N型半導體。
自由電子 +4 +4 +5 +4 +4 施體 ▲圖2-8 N型半導體

12 P型半導體 在本質半導體中加入三價元素的雜質，如硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）等元素，這樣的外質半導體稱為P型半導體。
+4 電洞 +4 +3 +4 +4 受體 ▲圖2-9 P型半導體

13 本質半導體相關整理 本質 半導體 五價雜質元素 （如磷、砷、銻等） 三價雜質元素 （如硼、鋁、鎵、銦等） N型 半導體 P型 半導體
摻雜 比例約108:1 五價雜質元素 （如磷、砷、銻等） 三價雜質元素 （如硼、鋁、鎵、銦等） N型 半導體 P型 半導體 多數載子：電子 少數載子：電洞 多數載子：電洞 少數載子：電子 註：108 : 1 = 矽（或鍺）原子 : 雜質原子。

14 PN接面 在本質半導體的一側加入施體雜質，另一側加入受體雜質，這個半導體就有一側為N型，另一側為P型，且在N型與P型之間形成PN接面。
電洞 （多數載子） 自由電子 （多數載子） 負離子 接面 正離子 - + 自由電子 （多數載子） 施體離子 受體離子 電洞 （少數載子） P型 N型 空乏區 (a) PN接面 ▲圖2-10 未加偏壓的PN接面

15 未加偏壓的PN接面 當擴散達到平衡狀態時，PN接面附近的離子層中，便不再有電子與電洞擴散進入復合，這個區域稱為空乏區。
空乏區會產生一個電位差，以阻止多數載子進入，這個電位差稱為障壁電位。 形成離子層並阻止多數載子持續擴散 電子與電洞復合 P型 N型 P型 N型 空乏區 (b) 電子擴散通過PN接面 (c) 載子擴散後的PN接面 ▲圖2-10 未加偏壓的PN接面

16 順向偏壓的PN接面 正極接於P型側，負極接於N型側，如此會中和空乏區內的正負電荷，空乏區的寬度會縮小，此時障壁電位也會降低。
順向電流 IF 電子與電洞復合 自由電子移向空乏區 電洞移向空乏區 P型 N型 空乏區 （縮小） ▲圖2-11 外加順向偏壓的PN接面

17 逆向偏壓的PN接面 正極接於N型側，負極接於P型側，結果造成空乏區的寬度擴大，P型區與N型區的多數載子無法穿越空乏區，因此沒有電流產生。
電洞遠離空乏區 自由電子遠離空乏區 P型 N型 空乏區 （擴大） (a) 無多數載子流 ▲圖2-12 外加逆向偏壓的PN接面

18 逆向飽和電流 少數載子受到逆向偏壓作用，接面會產生小量的電流，稱為逆向飽和電流。 ▲圖2-12 外加逆向偏壓的PN接面 自由電子
（少數載子） 電洞 （少數載子） 逆向飽和電流IS P型 N型 空乏區 (b)有少量少數載子流 ▲圖2-12 外加逆向偏壓的PN接面

19 二極體的V-I特性 二極體的電流： 順向特性 公式2-2-1 逆向特性 ▲圖2-15 二極體的V-I特性曲線

20 二極體的順向特性 順向特性：當電壓超越障壁電位後，只要再增加一點點電壓，便會有大量的電流產生，我們稱這個開始產生大量電流的電壓值為膝點電壓（VK）。 ▲圖2-16 二極體的順向特性曲線

21 二極體的逆向特性 逆向特性：當負電壓持續增加到某一數值時，逆向電流會突然急速增加，我們稱此時的二極體正處於崩潰狀態，而該逆向電壓值稱為崩潰電壓（VBR）或稽納電壓（VZ）。 ▲圖2-17 二極體的逆向特性曲線

22 ▲圖2-18 二極體的V-I特性 曲線與溫度的關係
二極體的溫度特性 逆向飽和電流與溫度的關係： 公式2-2-2 障壁電位與溫度的關係： 公式2-2-3 ▲圖2-18 二極體的V-I特性 　　　　　曲線與溫度的關係

23 二極體的電阻特性 (1) 分佈電阻（ rB）： 靜態電阻（ RD）： 公式2-2-4 公式2-2-6 ▲圖2-19 分佈電阻圖示
▲圖2-19 分佈電阻圖示 ▲圖2-20 靜態電阻圖示

24 二極體的電阻特性 (2) 動態電阻（rd）: 公式2-2-7、2-2-8 ▲圖2-21 動態電阻圖示

25 二極體的電容特性 過渡電容（ CT）： 擴散電容（ CD）： 公式2-2-8 公式2-2-9 ▲圖2-22 二極體的電容效應
(a) 等效電路 (b) 電容-電壓特性曲線 ▲圖2-22 二極體的電容效應

26 理想二極體模型 在順向偏壓時，可如短路般達到零電阻的狀態（順向導通），而在逆向偏壓時，又可以像開路般有無窮大的電阻（逆向截止）。
(a) 特性曲線 (b) 等效電路 ▲圖2-23 理想二極體的特性曲線與等效電路

27 簡化二極體模型 只考慮障壁電位的等效電路： 考慮障壁電位與順向電阻的等效電路： ▲圖2-24 二極體第二近似的特性 曲線與等效電路
(a) 特性曲線 (b) 等效電路 (a) 特性曲線 (b) 等效電路 ▲圖2-24 二極體第二近似的特性 　 曲線與等效電路 ▲圖2-25 二極體第三近似的特性 　 曲線與等效電路

28 稽納二極體逆向特性 一旦稽納二極體到達崩潰電壓後，逆向電壓急遽增大，此時稽納二極體兩端的電壓幾乎維持在這個電壓不變，這使得稽納二極體能夠成為穩壓的電子元件。 ▲圖2-27 稽納二極體在逆向偏壓時的特性曲線

29 稽納二極體等效電路 只考慮稽納電壓的等效電路： 考慮稽納電壓與稽納電阻的等效電路： ▲圖2-28 稽納二極體理想的特性曲線與等效電路
(a) 特性曲線 (b) 等效電路 ▲圖2-28 稽納二極體理想的特性曲線與等效電路 考慮稽納電壓與稽納電阻的等效電路： 公式2-3-1 (a) 特性曲線 (b) 等效電路 ▲圖2-29 稽納二極體近似的特性 曲線與等效電路

30 LED的外觀、構造與發光原理 ↑– ↓+ ▲圖2-32 發光二極體的外觀、構造與發光原理 通電後電子與電洞復合產生光輻射 發光 N型 I
P型 (a) 外觀 (b) 構造 (c) 發光原理 ▲圖2-32 發光二極體的外觀、構造與發光原理

31 LED的特性曲線 LED的切入電壓約為1.7~3.3V（視材料而定），而逆向崩潰電壓則大約為5~6V。 ▲圖2-33 發光二極體的特性曲線

32 ▲圖2-34 各種發光二極體所使用材料與發光顏色的比較
▲圖2-34 各種發光二極體所使用材料與發光顏色的比較