D05_从半导体到电晶体的.ppt

本章重點一覽 5.1 半導體物理特性 電子與電洞 歐姆定律 5.2 摻雜元素 N型半導體 P型半導體 5.3 pn界面 P與N的串聯 正向偏壓 反向偏壓 本章重點一覽 5.4 兩個pn界面(電晶體) BJT的發明 5.5 電晶體特性 三種模式(cutoff, saturation, active) 特性曲線 5.6 結語 5.1 半導體物理特性 導電性主要決定於原子最外圍能自由活動的電子，稱為自由電子(free electron)，和原子內部的詳細結構沒有太大關聯。 電流是電子的流動，它的大小當然是由能自由活動的電子所決定，那些因鍵結而動彈不得的電子(稱為鍵結電子)自然無法貢獻電流。 導體 (conductor) 絕緣體 (insulator) 半導體 (semiconductor) 5.1 半導體物理特性 矽元素是最常用的半導體材料 5.1 半導體物理特性 5.1 半導體物理特性 對純半導體(intrinsic semiconductor)而言，自由電子的濃度(n)等於電洞濃度(p) n=p=ni 由半導體物理可知 　 　 B = 5.4?1031 (和半導體材料有關) 　 　Eg = 1.12eV(半導體材料帶隙能量) 　k= 8.62 ? 10?5 eV/?K(波茲曼常數) 　T是絕對溫度 5.1 半導體物理特性 在常溫下，平均每3.3 ? 1012個矽原子才產生一顆自由電子，可見非常少的鍵結電子能夠成為自由電子 。 半導體由於自由電子數目不多不少，可利用人為方法改變它們的數目而變化導電性，故可塑性極高，有機會成為很有用的電子材料。導體和絕緣體用途遠不如半導體。 5.1 半導體物理特性 半導體的導電性介於導體與絕緣體之間，所以是製作電阻的良好材料。 當有外加電場Ｅ時，半導體內的自由電子受到電場吸引，會往正電位方向移動而形成電流。電子移動的速度，稱為漂移速度，與E成正比 ： 　? n為電子的移動率(mobility) ，和材料有關 。 5.1 半導體物理特性 電子移動便形成電流，方向與電子移動方向相反。 同理電洞受到電場吸引也會移動而形成電流，行為與電子相似，但移動的方向剛好相反。 5.1 半導體物理特性 5.1 半導體物理特性 若加在半導體兩端的電壓為V而其長度為L，由 　 可得電阻係數 　可定義電阻為 　　　　　　　 此即為歐姆定律(Ohm‘s law) 5.2 摻雜元素 使半導體成為有用的第一步，是藉著摻雜(doping)別種元素以改變它的導電性。 n型半導體：在純矽中摻入帶五個價電子的元素如磷(P)原子 p型半導體 ：在純矽中摻入帶三個價電子的元素如硼(B)原子 5.2 摻雜元素 n型半導體 5.2 摻雜元素 n型半導體的自由電子濃度nn主要由摻入的P原子濃度ND所決定 熱平衡時，半導體內的自由電子濃度與電洞濃度的乘積不受影響 5.2 摻雜元素 n型半導體內，通常pn ND，所以我們稱自由電子為多數載子(majority carrier)而電洞為少數載子(minority carrier) 5.2 摻雜元素 p型半導體 5.2 摻雜元素 p型半導體的導電性主要由摻入的B原子濃度NA所決定，且自由電子濃度與電洞濃度的乘積不受摻入原子所影響，因此 在p型半導體內，由於np NA ，所以稱電洞為多數載子，而自由電子為少數載子 5.2 摻雜元素 利用摻雜三價或五價原子我們可以改變Si的導電性 在純矽半導體摻雜五價原子 在純矽半導體摻雜三價原子 5.3 pn界面 當我們將兩個p型半導體或兩個n型半導體接在一起，它們電阻的本質並無改變，結果等於是兩顆電阻串聯，只是阻值增加而已。 但是將p型及n型兩種半導體合在一起，它的特性完全不像電阻，反倒像導體與絕緣體的綜合體 。  這奇妙的結果是電子電路由笨重的真空管，走向輕薄短小的半導體元件之關鍵。 5.3 pn界面 5.3 pn界面 p型半導體空乏區內的負離子會增加n型半導體內的自由電子越過pn界面的阻力，而n型半導體空乏區內的正離子會增加p型半導體內的電洞越過pn界面的阻力 因此在pn界面會自然形成一道位能障礙(potential barrier)，阻止自由電子和電洞繼續越過pn界面，最後達到穩定狀態 5.3 pn界面 正向偏壓 外加電壓會降