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半导体物理与pn 接面二极体元件分析.PDF
半導體物理與pn 接面二極體元件分析
概 述
構成固態電子元件之主要材料為半導體 (Semi-conductor) ,因此欲瞭解構成電子電路之主動元
件,如二極體 (Diode) 、電晶體 (Transistor) 及積體電路 (Integrated circuit) 是如何工作,必須
對半導體物理現象有基本之認識。
本章首先討論半導體之基本物理觀念後,接著介紹二極體之斷路與接受偏壓時之pn 接面特性 、伏
特 - 安培特性曲線 ,接著討論溫度變化對 pn 接面二極體物理特性之影響,最後再描述二極體之
交、直流等效電路模型。
半導體簡介
半導體之導電性為介於導體與絕緣體之間的物質,此材料之優點在於它可以經由改變雜質之摻雜
濃度 ,而大幅改變其導電率 ,藉此可用電場來控制流通於此材料的電荷之多少與方向。
半導體材料可經由摻雜不同種類之雜質 ,而得到p 型與 n 型兩種不同導電性之半導體。其中 n 型
半導體之電流傳導是由電子的移動所控制;而p 型半導體之電流傳導是由電洞的移動所控制,經
由此兩種形式半導體的組合,便可製作不同幾何結構之電子元件。
半導體材料已被詳細的研究過,其中以矽 (Si) 和鍺 (Ge) 是電子元件中兩種主要之半導體材料,
其中又以矽質元件佔大部分。
不含雜質之純半導體稱為本質半導體 (Intrinsic semiconductor) ,( 如在晶體內每個原子都是矽原
子,此矽晶體就是本質半導體 ) ,當本質半導體之一共價鍵斷裂時會產生一個自由電子與一個電
p n n 。
洞,所以其電洞濃度p 應該等於電子濃度 n ,即 i
含雜質之半導體稱為外質 (Extrinsic) 半導體,或稱摻雜 (Doped) 半導體。
若所加之雜質為五價的原子,這些雜質施放額外之電子載子,因此稱為施體 (Donor) 雜質,或 n
型雜質,則此半導體稱為 n 型半導體 。當本質半導體摻入n 型雜質後,其電子數目會顯著的增加 ,
且會使電洞之數目急遽的降低至本質半導體正常應有之數目以下,所以其多數載子 (Majority
carriers) 為帶負電之電子 ;
若所加之雜質為三價的原子,這些雜質能接受額外之電洞載子 ,因此稱為受體 (Acceptor) 雜質,
或p 型雜質,則此半導體稱為p 型半導體 。當本質半導體摻入p 型雜質後,其電洞數目會顯著的
增加 ,且會使電子之數目急遽的降低至本質半導體正常應有之數目以下,所以其多數載子為帶正
電之電洞 。
半導體中之電流
電子及電洞的移動率 (Mobility) μ 會隨溫度變化而成 T −m 變化 ( μ ∝T −m ) ,亦即在高溫時會有
更多之載子出現,而且這些載子擁有更多之能量。
對本質半導體而言,因為其成對之電子-電洞增加量大於移動率減少量,所以當溫度升高時,電
子電洞對會隨之增加,因此其導電率變大 。
對外質半導體 ,當溫度升高時其多數載子數目幾乎不變,但其移動率會降低,所以其導電率會隨
溫度之上升而下降 。
除了電流之傳導外,在半導體中電荷之移動亦可藉由擴散 (Diffusion) 方式來達成( 這現象在金
屬中是沒有的 ) 。因半導體內之載子濃度不可能是均勻分佈的,電洞之濃度 p (或電子之濃度 n)
會隨半導體內之距離 x 而變化,如下圖所示。
p (0) p (x)
JP 擴散電流密度
x = 0 x
因有濃度梯度存在,意味著半導體表面濃度 ,一邊比另一邊高,且
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