7.11截波电路.ppt

7 二極體 7.1 半導體 IC、電晶體、或是二極體整流器等等都是半導體元件， 何謂半導體元件?簡單的說就是使用半導體材料所製造的零件 那麼半導體又是什麼?由“半導體”字面來解釋意義是說: “半導體就是一種界乎於導體與絕緣體的一種材料”， 它們的導通電流比導體差，而比絕緣體還好。 半導體是一種四價元素的材料，如鍺、矽等。 7.1 半導體 原子是由原子核及電子所組成。 原子核中有中子及質子。 質子 質量m約1.68*10-27Kg 帶電量e為1.6*10-19庫倫 中子 質量m則約1.68*10-27Kg 不帶電 電子 原子核外 質量m約9.11*10-31Kg 帶電量e為-1.6*10-19庫倫。 良導體、絕緣體或是半導體 原子核外圍的電子分布在各層的軌道上，電子數目為2n2，其中n代表軌道的層數 最外層的電子稱之為價電子。這些價電子決定了材料是良導體、絕緣體或是半導體。 Si(矽) 原子序為14，故其第一層電子數為2，第2層電子數為2*22=8個，第3層為最外層為14-2-8=4個 是四價元素的半導體材料。 良導體的價電子數少，只要少量能量即可釋放價電子，使之成為自由電子而形成傳導的電子流。最佳的導體價電子為1，每立方米電子數n約等於1028個。 良導體、絕緣體或是半導體 絕緣體的價電子則最多，它需要非常大的能量才可以釋放價電子成為自由電子，所以它的導電性非常差，稱為絕緣體。尤其是價電子為8的材料，每立方米電子數n約等於107個。 半導體的價電子介於導體與絕緣體之間，價電子數通常為4，它的導電能力介於導體與絕緣體之間，每立方米電子數n約等於107~1028個之間。 半導體材料 鍺(Germanium，簡稱Ge) 鍺有32個電子 價電子有4 早期的半導體多是使用這種材料構成，但因其漏電流及耐壓低，因此暫時被人們擺在一邊 但最近為研發高速低電壓元件，又被提出研究與使用 矽(Silicon，簡稱Si)。 電子數為14 最外圍也是只有４個價電子 目前最流行的半導體源材料 在高速半導體中有使用復合材料如砷化鎵。 本質半導體 本質半導體 (又稱純半導體) 晶體內(例如Si)，每一原子的4個價電子都與鄰近的原子共用外層軌道 因此每一個原子最外層有4對價電子，這種結構稱為共價鍵(Covalent bond) 在某些情況下，此結構可能會跑掉一個電子，而在鍵上留下一個空洞，稱為電洞(Holes)。 此時的電子與電洞所形成的自由載體(Free Carriers)之移動就會形成電流。 在室溫下電子與電洞所形成的自由載體每立方公分各約有1.5*1010個/cm3。或1.5*1016個/m3。 熱對本質半導體之影響 自由載體的數目會隨溫度上升而增加，當溫度每升高11度就會增加一倍。 在室溫下若要使價電子離開一共價鍵則需能量Eg以在矽晶體為例需能量Eg=1.1ev。在鍺晶體則為Eg=0.72ev。 ev是能或功的單位，稱為電子伏，1ev約為1.60*10-19焦耳。 熱提供了能量促使本質半導體內的價電子脫離價鍵而產生了電洞p，相對的也產生了自由電子n。 熱對本質半導體之影響 電子數量n、電洞數p與外加能量大小關係如下 摻雜(Doping) 本質半導體因熱能量而形成電流很小而難以運用 因此在製造半導體元件時摻入三價或五價的元素，藉以產生更多的電洞或電子。 這種程序稱之為摻雜(Doping)。 摻雜(Doping) 本質半導體因熱能量而形成電流很小而難以運用 因此在製造半導體元件時摻入三價或五價的元素，藉以產生更多的電洞或電子。 這種程序稱之為摻雜(Doping)。 摻入五價元素的半導體，在四個價鍵多了一個電子，就好像是摻入電子的半導體，所以稱之為Ｎ型半導體。因混合後多出來的也稱為施體（Donor）。如圖7.1.4所示。 在N型半導體中大部份載體為施體，其數量為ND，少數載體則為電洞，其數量為pn。 摻入三價元素的半導體，在四個價鍵中的一個鍵會留下一個電洞，就好像是摻入電洞的半導體，因其如同帶正電荷的半導體，所以稱之為Ｐ型半導體。 多數載體之為受體（Acceptor）而數量為NA，少數載體則為電子(如圖7.1.5所示)，則其數量為np， N型半導體 摻入五價元素的半導體，在四個價鍵多了一個電子，就好像是摻入電子的半導體，所以稱之為Ｎ型半導體。因混合後多出來的也稱為施體（Donor）。 在N型半導體中大部份載體為施體，其數量為ND，少數載體則為電洞，其數量為pn。 P型半導體 摻入三價元素的半導體，在四個價鍵中的一個鍵會留下一個電洞 就好像是摻入電洞的半導體 因其如同帶正電荷的半導體，所以稱之為Ｐ型半導體。 多數載體之為受體（Acceptor）而數量為NA，少數載體則為電子，則其數量為np， 例7.1.1 如果在純矽中摻入濃度為10