P-N接面理论.doc

P-N接面理論1-1半導體的材料與特性1-1-1、原子模型基本波爾原子模型由質子、中子與電子所組成，而其帶電性及質量如表(1)。而現代原子模型，電子在核的週圍運動，質子和中子在核內微動，而夸克則是在質子和中子內微動。物理學家發現質子和中子是由名為夸克的更小粒子所組成。副層最大電子數副層（m）最大電子數目(2+4x(m-1)主層最大電子數主層()最大電子數目K(第一層)2L(第二層)8M(第三層)18N(第四層)32其矽原子模型如圖(1)，雖然原子已經很小了，但原子核比原子更小約一萬倍，而夸克和電子至少比原子核又小一萬倍以上。雖然我們並不能很精確知道夸克和電子有多小，但它們肯定小於10-18 公尺，但我們還無法確定真實情況!或許夸克和電子有可能不是基本元素，而是由其他更基本的粒子組成。表(1) 原子的構成：(原子本身不帶電，電中性)質子中子電子帶電性正電()不帶電負電()帶電量(庫倫)不帶電質量(公斤)1-1-2、自由電子與電洞未被原子核及共價鍵所束縛住的電子稱為自由電子，而共價鍵所遺留或多餘的位置則稱為電洞。如圖(2)。導體中原子間的鍵結都是共價鍵，假如所有的共價鍵都是完整的，晶格中就沒有可導電的自由電子，那麼他應該是絕緣體才對。故一般半導體在0K(-273)，因價電子無法從熱擾動獲得跳脫共價鍵之能量，此時晶格中無自由電子與電洞，所以是絕緣體。在室溫時，少部分共價鍵中的電子吸收了足夠的熱能跳出他的鍵結位置，進入共價鍵間的空間，而大部分的鍵結還是完整的，只要電子不回到空出的鍵結位置，他可以在晶格的空間中游動，因此可以導電。這個可以移動的電子我們稱為導電電子(conduction electron)，又稱為自由電子。共價鍵電子跳出後在共價鍵還留下了一個空位，其他共價鍵的電子，有可能去填充此空位。在沒有空位時，由於原子核的電荷和電子的電荷完全抵銷，故不帶電，成電中性；而在空位附近由於少了個電子，等效上是帶了一個基本單位的正電。因此，空位的移動，我們可以看成是一個正電荷的移動，也可以導電。這個能夠導電的空位稱為電洞(hole)。自由電子與電洞均可導電，都稱為載子(載體)。1-1-3、能階不同軌道的能量之差就稱為能階，電子從最外層軌道(價電帶)跳脫共價鍵的束縛成為自由電子(傳導帶)所需的能量就稱為能隙，如圖(3)、圖(4)。導體、半導體與絕緣體之能隙比較傳導帶：自由電子佔據的能帶，電子可以自由活動，不受原子核束縛。禁止帶(能隙)：傳導帶與禁止帶的能量差，禁止帶內沒有任何電子。價電帶：價電子佔據的能帶，價電子不能自由移動。禁止帶能隙(Eg)=傳導帶能階(Ec)-價電帶能階(Ev)導體、半導體與絕緣體之特性比較：導體純半導體絕緣體電阻係數()以下以上自由電子濃度1028個/m3以上1071028個/m3107個/m3以下禁止帶()沒有約16以上導電性優良以下不導電以上會導電很差載子自由電子自由電子、電洞無電流漂移電流擴散電流漂移電流無電阻溫度係數正溫度係數負溫度係數負溫度係數在共價鍵中的電子必須吸收足夠的能量才能跳出共價鍵形成電子與電洞對，而所需之最小能量稱做能隙(帶溝)Eg，而這個過程叫做產生(Generation)。而所吸收的能量可以是晶格的振動能量（熱能），光子的能量（輻射），或高速粒子的能量。當能量不足時，共價鍵的電子並不吸收。帶溝的大小，一般以電子伏特(eV)為單位，和共價鍵的強度有關，共價鍵強度愈強，帶溝愈大，鍵愈弱則帶溝愈小。如圖(5)。當導電電子在晶格中碰到了電洞，他們有機會結合形成填滿的共價鍵，並放出和帶溝差不多的能量，放出能量的形式一般可以是熱能（晶格的振盪）或光子。這個過程我們稱為復合(Recombination)。矽的帶溝較鍺為大，也就是說矽的共價鍵較鍺強，在室溫時破壞的共價鍵較少，固有的導電電子電洞的濃度矽就較鍺為低。同樣的四價元素碳(C)，排列成和矽相同的鑽石結構，由於共價鍵非常的強，帶溝遠比矽大，在室溫時幾乎沒有導電電子與電洞，故為絕緣體。一般而言，光被吸收或產生是以光子為單位，一個光子的能量E 和他的頻率v 成正比，即E = hv (3)常數h 稱為菩朗克常數(Plank constant)，數值約為6.62610-34 Js=4.13610-15 eVs。共價鍵中的電子可以吸收一個能量較能隙大的光子，產生一電子電洞對；一個自由電子也可和一個電洞復合放出一個能量和能隙相當之光子。產生和復合過程中，吸收或放出兩個或兩個以上能量低於能隙的光子的機率非常非常的低。1-1-4、P型半導體與N型半導體半導體的主要材料有鍺Ge、矽Si及砷化鎵GaAs，其中鍺與矽為元素，而砷化鎵則為3價元素的鎵與5價的元素的砷化合而成，其能隙與溫度成反比關係，當溫度愈高，熱擾動能量增加，能隙距離變小，使得價電子更容易脫離共價鍵而成為自由電子，故電阻降低，導電性增加，此一溫度升高則電阻下降的特性稱為負電阻溫度特性。不摻雜任何雜質的半導體稱之為本質半導體，又稱為純半導體，如前述，在室溫下(27=300K)，價電子可因熱擾動獲得足夠的能量而脫離共價鍵，形成一自由電子-電洞對，故可以導電。而在0K(-273)時，因價電子無法從熱擾動獲得跳脫共價鍵之能量，此時晶格中無自由電子與電洞，所以無載子，此時的半導體是個絕緣體。如圖(6)，共價鍵未破壞，無自由電子與電洞。在純的半導體(intrinsic semiconductor)中，導電電子與電洞是成對出現的，也就是說一個電子離開共價鍵形成導電電子的同時一定留下一個電洞，因此電子的濃度n(1/cm3)和電洞的濃度p(1/cm3)必然相同，即n=p=ni=pi依質量作用定律得知ni2=npni及pi代表純半導體中之導電電子及電洞的濃度，稱本質濃度(或固有濃度)(intrinsic concentration)，ni是溫度的函數，溫度升高，熱擾動增加，平均被破壞的共價鍵變多，固有電子電洞的濃度增加，導電度增加。常見半導體在室溫300K下本質濃度及能隙半導體種類 本質濃度ni(cm-3)能隙Eg(eV)矽Si1.51010cm-31.11eV鍺Ge2.41013cm-30.66eV砷化鎵GaAs1.8106cm-31.42eV四價的矽晶體中，如果少數的矽原子以五價的元素(如磷P、砷As、銻Sb)取代時，晶格結構並不受影響，砷原子價電子依然以s2p3方式排列，和周圍的四個矽原子共價鍵結，結果多出一個價電子，這個多出的價電子在室溫下就很容易游離形成自由電子，這種能夠提供導電電子的雜質稱做施體雜質(donor)，或n型摻雜。失去電子的施體雜質附近帶正電，如同一正離子。由於電子濃度的大量增加，電洞容易被電子復合，電洞濃度p會大量減小。此時半導體的導電性主要是由自由電子所貢獻，我們稱此種半導體為n型半導體(n-type semiconductor)，電子稱為多數載子(majority carrier)，而電洞則稱為少數載子(minority carrier)。四價的矽晶體中，如果少數矽原子的摻雜原子改為三價元素(如硼B、鋁Al、鎵Ga、銦In)，那麼三價元素硼和矽形成共價鍵時就少了一個電子，也就是說多了一個空位，當其他共價鍵電子移到這個空位，或是說空位離開了硼原子附近，便形成一個能夠導電且帶正電的電洞，這種能夠提供電洞的雜質稱做受體雜質(acceptor)。失去電洞的硼附近則帶負電，如同一負離子。這種半導體我們稱為p型半導體(p-type semiconductor)，多數載子為電洞，而自由電子成為少數載子。假如半導體中同時摻雜有施子與受子，則較多數種類摻雜的載體會先將較少數種類摻雜的載子中和（或復合）掉，剩下的才成為半導體的多數載子，這個不同種類摻雜中和的現象稱做補償(compensation)。補償在半導體元件製作時提供一個很實用的技術，一個n型半導體，只要在其中再摻雜入比原來施體雜質濃度高的受體雜質，就可以形成p型半導體。但不管是n型或p型半導體，只要外界沒有加入或移除其中的任何載子，半導體依舊維持電中性(charge neutrality)，因為其總正負電荷數相等。P型與N型半導體的比較：摻雜濃度載子電性註元素種類名稱電洞電子多數少數P型3價元素受體較多較少電洞電子電中性受體成為負離子N型5價元素施體較少較多電子電洞電中性施體成為正離子1-2 P-N接面之特性與變化將P型半導體與N型半導體接何在一起，即為PN二極體，其物理結構如圖(7)，PN二極體是半導體元件裡最基本也是最重要的，徹底了解其原理與特性，對於日後學習其它半導體元件，方可收到事半功倍之效。1-2-1、P-N二極體的電流pn接面在形成時，空間中的載體分布先天上就已經不均勻，在p型半導體中的電洞會向n型半導體中擴散，在n型半導體中的電子會向p型半導體中擴散。如圖(8)。由於帶電載體的移動，原本每個位置都保持電中性的特性便被破壞，n型半導體中會帶正電，p型半導體中會帶負電。電洞進入n型區，或電子進入p型區都會產生復合，電子電洞同時消失，半導體中就只剩下帶電的摻雜離子，在p型半導體中是帶負電的受子離子(因失去電洞而帶負電)，在n型半導體中是帶正電的施子離子(因失去電子而帶正電)，兩者的帶電量大小是相同的。因PN接合面區域內的電子與電洞完全相結合，所以無任何載子存在，故此正負離子區域稱為空乏區(depletion area)或稱為空間電荷區(space charge region)。如圖(9)。這兩個帶電的離子區會集中在接面的兩側，如此可使系統的電位能降到最低。帶電離子在接面附近產生一電場，此一電場會排斥少數載子，P型半導體內的負離子會排斥P型內的少數載子電子，而N型半導體內的正離子會排斥N型內的少數載子電洞，使得少數載子越過接合面與正負離子相復合，此種復合現象會使得某些正負離子因重新獲得電子或電洞而消失。因接合面之正負離子排斥少數載子所造成的電流稱為漂移電流Is或稱為少數載子流，又稱為逆向飽和電流。漂移電子流（或電洞流），方向都和擴散電子流（或電洞流）相反。到達平衡時，在任一位置的漂移和擴散電子流（電洞流）完全抵銷，總電子流和總電洞流均為零，二極體電流ID=IF-IS=0。如圖(10)1-2-2二極體的V-I特性1. 未加偏壓特性當二極體未加偏壓時，PN接合面接觸瞬間會產生擴散電流，因擴散電流的產生造成空乏區正負離子的產生，使的空乏區持續擴大並排斥擴散現象，因空乏區正負離子產生的電場，使空乏區內少數載子飄移造成漂移電流，最後當IS=IF時，此一現象即停止，故二極體未加偏壓時，其淨電流ID=0。空乏區上的電位差Vt稱為內建電壓(built-in voltage)，又稱為切入電壓、障壁電壓、位障電壓或空乏電壓。2. 順向偏壓特性二極體加順向偏壓時(P接正電壓，N接負電壓)，此時靜電流，當外加順向電壓VD由0慢慢增加，則擴散電流也會緩緩增加，且空乏區慢慢變小，這是因為外加順偏電壓VD會補充因擴散而失去的多數載子(正電壓連接P補充電洞，負電壓連接N補充電子)，使得空乏區內之正負離子分別獲得電子與電洞而重新復合，進而使空乏區縮小。如圖(11)。二極體電流擴散電流IF經實驗及證明是以指數的型態增加的，即，所以ID淨電流：IF：擴散電流IS：逆向飽和電流正比於二極體之截面積e：自然指數之底數約等於2.71828VD：加於二極體兩端之順向偏壓：實驗常數(依材料及結構來決定，一般約為1)VT：熱電壓()(27時T=273+27=300K，VT26mV)K：波茲曼常數=1.3810-23 J/KT：絕對溫度：單位Kq：電荷電量=1.610-19庫倫3.逆向偏壓特性如圖(12)所示，二極體接逆向偏壓時，淨電流ID=-IS。因P端接負，N端接正，負電壓會吸引P型多數載子電洞，而正電壓會吸引N型多數載子電子，使得空乏區變大，擴散電流IF無法再通過接面。整理上述三種偏壓，可得偏壓對二極體的影響如下表結果：順偏接法 (+)PN(-)逆偏接法 (-)PN(+)P型N型隨偏壓增加電流註空乏區障壁電壓順偏接高電位接低電位變窄下降由多數與少數載子產生順偏電壓障壁電壓導通逆偏接低電位接高電位變寬上升有漏電電流僅少數載子產生逆偏電壓PIV不導通逆偏電壓PIV 燒毀當二極體順偏時，增加外加電壓使順偏電壓障壁電壓，電流迅速增加之電壓值，此電壓稱為切入電壓。1-2-3.二極體的溫度特性二極體的微半導體材料，所以當溫度升高時，應熱擾動獲得能量的增加特性，應更容易導通，且電阻隨溫度的上升而下降，如圖(13)累增崩潰，圖(14)稽納崩潰，由圖中可看出切入電壓Vt隨溫度增加而下降，而逆向飽和電流隨溫度增加而增加。而崩潰電壓則因半導體加入雜質濃度的多寡而分為稽納崩潰與累增崩潰，兩者崩潰電壓與溫度的關係恰好相反。累增崩潰(Avalanche effect)稽納崩潰(Zener effect)二極體摻雜濃度低(空乏區寬)高(空乏區窄)崩潰電壓6V6V崩潰電壓溫度係數正負峰值逆向電壓(PIV)：不致使二極體產生崩潰的最大逆向電壓值。當二極體加逆向偏壓時，若電壓持續增加到某一數值時，將會使電流大量的增加，此稱之為崩潰。漏電電流：二極體逆偏時，由少數載子造成電流，與溫度有關而與電壓無關，溫度不變下為一定值，又稱逆向飽和電流，矽材質為nA等級、鍺材質為mA等級。1-3 P-N二極體應用狀況二極體廣泛的應用於現今的電子電路，如整流電路、截波器、嵌位器、二極體的運算放大器電路等、且包含特殊二極體如發光二極體、雷射二極體、光偵測器及太陽能電池等。下表即是一般二極體的一些電路應用。二極體應用：消除反電勢補償ICO補償VBE提高雜訊邊限邏輯電路箝位電路截波電洛整流電洛倍壓電路提高