二极体的物理性质及特性

1、第第2章二極體的物理性質及特性章二極體的物理性質及特性2-1自由電子與電洞自由電子與電洞2-2P型半導體與型半導體與N型半導體型半導體2-3P-N接面二極體接面二極體2-4二極體的二極體的V-I特性曲線特性曲線2-5理想二極體與簡化二極體模型理想二極體與簡化二極體模型2-6稽納二極體稽納二極體2-7發光二極體發光二極體總目錄總目錄節目錄節目錄2-1自由電子與電洞自由電子與電洞1.原子結構原子結構（原子不帶電呈電中性）原子核（帶正電）原子核外質子（帶正電）中子（不帶電、中性）電子（帶負電）繞原子核外之軌道運行2.電子軌道的電子排列：每一能層所能容納的最大滿額電子數為，其中 n 表示該能層的層數。

2、22n3. 矽（矽（Si）與鍺（）與鍺（Ge）的原子結構）的原子結構節目錄節目錄KLMN矽（14）284鍺（32）28184層次半導體(1)矽與鍺為最主要的半導體材料。(2)矽的原子序數為14，鍺的原子序數為32。(3)矽與鍺最外層之電子數目都是4個，為四價元素。節目錄節目錄4.電子電洞對電子電洞對節目錄節目錄(1)在絕對零度0K時，晶體的作用有如一絕緣 體。(2)電子由價帶進入傳導帶所需的能量，鍺約 為0.7eV，矽約為1.1eV。-19-19(3) 1eV=1.6 101=1.6 10庫侖伏特焦耳。節目錄節目錄5.電子與電洞之移動電子與電洞之移動節目錄節目錄(1)圖中，一個圓圈加一點者代表

3、一完整的共價鍵，而空圓 圈代表一個電洞。(2)在本質半導體中，電子載子的濃度與電洞載子的濃度相 等。i(3) : n=p=n公式innp：本質濃度：自由電子濃度：電洞濃度2-2P型半導體與型半導體與N型半導體型半導體1.P型材料型材料節目錄節目錄(1)摻入雜質（三價元素）：硼（B）、鋁（Al）、 鎵（Ga）、銦（In）等。(2)受體：雜質原子接受電子而促使電洞的活動。(3)電性：中性。(4)多數載子：電洞；少數載子：自由電子。(5)公式： 自由負電荷濃度與正電荷濃度之乘積，在 熱平衡下，與摻入之雜質無關，而為一定值。2ippn= n ppnpp節目錄節目錄節目錄節目錄2.N型材料型材料(1)摻

4、入雜質（五價元素）：磷（P）、砷 （As）、銻（Sb）等。(2)施體：雜質原子含有多餘的自由電子， 意即能夠施予電子。(3)電性：中性。(4)多數載子：自由電子；少數載子：電洞。(5)公式：2innn= n pnnnp在熱平衡下，自由負電荷濃度和正電荷濃度之乘積為定值。節目錄節目錄3.N型與型與P型之特性比較型之特性比較節目錄節目錄2-3P-N接面二極體接面二極體1.二極體之構造節目錄節目錄(1)：電洞；：電子； ：施體離子；：受體離子。(2)離子固定於晶體格中，不可移動。(3)施體離子釋放出電子帶正電 受體離子吸收電子帶負電節目錄節目錄2.二極體之符號二極體之符號節目錄節目錄(1)黑點或黑帶

5、的標記通常指的是陰極。(2)陽極較高或正的電位；陰極較低或負 的電位。(3)體積愈大，愈能承受較大的散逸功率。節目錄節目錄3.PN接面工作的情形接面工作的情形(1)未加偏壓的情形節目錄節目錄接面兩端的電子與電洞雖互有擴散，但其作用相互抵消，| I |0。空乏區域：沒有自由電子和電洞，有正、負離子。障壁電壓：P區（負離子）與N區（正離子）所形成之電位，鍺約為0.20.3V，矽約為0.60.7V。公式：空乏區域中，正電荷總量必須等於負電荷總量。DnApDnApeAN W = eAN WN W = N W節目錄節目錄(2)逆向偏壓的情形節目錄節目錄逆向偏壓：P接負電壓，N接正電壓。影響：空乏區寬度變

6、寬，障壁電勢增加。逆向飽和電流：逆向偏壓所存在的電流。SI節目錄節目錄(3)順向偏壓的情形節目錄節目錄順向偏壓：P接正電壓，N接負電壓。影響：空乏區寬度變窄，障壁電勢減少。順向電流：隨順向偏壓的增加而加大。DI節目錄節目錄2-4二極體的二極體的V-I特性曲線特性曲線節目錄節目錄1.順向偏壓順向偏壓(1)動作原理：DDDkDV = 0I = 0V VI（障壁電勢）迅速的上升（指數型）TvvS(2)I = I (e1)公式：SII= A= nAee = 2.718V=1 = 2：二極體的電流：二極體逆向飽和電流（鍺，矽）：自然對數的底數（）：二極體兩端所加的電壓：實驗常數（鍺質，矽質）節目錄節目錄

7、-23-23oT-19oTkBoltzmans constant =1.38 10KkT1.38 10TT275K+27 CV =V=26mVq1.6 101160011600273K+22 C295KV =25mV1160011600：波茲曼常數（）焦耳（），或者(3)二極體之V-I特性曲線為一非線性特性。節目錄節目錄2.逆向偏壓及崩潰區Z(3)V50 40V250V崩潰電壓 ：鍺二極體約在之間，矽二極體則大於。S(1)InAA逆向飽和電流 ：由少數載子組成（矽約為數個，鍺約為數個）。(2)若將逆向偏壓增加到某一數值時，電流急速增加，二極體將處於逆向崩潰狀態。逆向崩潰狀態累增效應：碰撞引起。

8、稽納效應：強電場引起。節目錄節目錄3.溫度效應溫度效應節目錄節目錄(1)障壁電壓oo1mV/ C2.5mV/ C鍺二極體：矽二極體：SS(2)I10 C I2逆向飽和電流 ：溫度每升高時，將增加為原來的 倍。21TT10S2S1S11S22I =I2ITIT公式：溫度為 時之逆向飽和電流：溫度為時之逆向飽和電流(3)溫度上限oooo 150 C 200 C 75 C 100 C矽：鍺：節目錄節目錄4.電容效應電容效應節目錄節目錄(1)PN接合面的空乏區相當於電介質，P型區及N型區相當於兩個電極。T(2)CAC=d過渡電容 ：公式：當逆壓愈大時，空乏區寬度d變大，電容量C則降低，C與外加逆向偏壓

9、成反比。DDTD(3)CIC =VC擴散電容 ：公式： 與順向電流成正比。節目錄節目錄5.電阻效應電阻效應BffBff1 0.30.7rII1 0.70.3rII鍺二極體矽二極體(1)分布電阻（外加順壓1V）DdcDDDVR =IVI：外加電壓：產生的對應直流電流(2)靜態電阻（或稱直流電阻）：(3)動態電阻（或稱交流電阻）：ddacddDVrrIdV26mVrdII (mA)公式：節目錄節目錄6.矽與鍺二極體之特性比較矽與鍺二極體之特性比較節目錄節目錄2-5理想二極體與簡化理想二極體與簡化 二極體模型二極體模型1.理想二極體理想二極體節目錄節目錄(1)(2) fffrrrV順向電阻：R =0

10、短路IV逆向電阻：R =斷路I節目錄節目錄2.定值電壓模型（含障壁電壓）定值電壓模型（含障壁電壓）節目錄節目錄foo(1)V0VVV二極體在順向偏壓時，由於空乏區內存在一電位障內建電壓（障壁電壓），故順向電壓並非即可導電。(2)二極體在順向偏壓大於時可視為導通，小於或逆向偏壓時是截止的。(3)定值電壓模型是考慮了障壁電壓，忽略了順向內阻。節目錄節目錄3.片斷線性模型（含障壁電壓及順向內阻）片斷線性模型（含障壁電壓及順向內阻）節目錄節目錄(1)在順向特性曲線上，利用直的線段來近似於二極體的特性曲線。f(2)1VI10mA如果在時，則acr 值acac1 0.7r3010mA1 0.3r7010m

11、A矽二極體鍺二極體節目錄節目錄2-6稽納二極體稽納二極體1. 稽納二極體的符號與等效電路稽納二極體的符號與等效電路節目錄節目錄(2)摻雜之濃度增加時，稽納電位將隨之降低。(3)工作於逆向崩潰區，供穩壓用。5(1)10 1本質與雜質之摻雜濃度比約為： 。ZZZV=I(4)r動態電阻：節目錄節目錄2.稽納二極體特性稽納二極體特性節目錄節目錄節目錄節目錄cZcZZZcZZ10(4) TTVTVVVT100%100%V TVTT表示溫度變化，值將增加，值將減少。公式：（）ZKZM(2)II工作電流需保持在和之間。(1)特性順向偏壓：與一般二極體相同。ZZZVIV逆向偏壓：達到時將產生崩潰現象， 急速增

12、加，幾乎固定。(3)崩潰方式ZZV 6V稽納崩潰：時，電場效應。累增崩潰：時，熱效應。3.稽納二極體的應用稽納二極體的應用(1)負載變動的電壓調整節目錄節目錄L(min)L(min)LRRR：任何大於的電阻值，都可以保證稽納二極體導通。LiLzLSzLSLiSzLizSzL(min)izR VV = V =R +RV R +R= R VR V = RVVR VR=VV（）（）節目錄節目錄L(max)R求法：節目錄節目錄LZL(max)LL(min)RSiZRSRSSZRSLL(min)RSZMZL(max)L(min)VVI=RRV =VVVI=RI =III=IIVR=I節目錄節目錄(2)輸

13、入電壓變動的輸出電壓調整LiLZLSLSZi(min)LiZMZMRSLRS(max)ZMLi(max)RS(max)ZRS(max)SZR VV =V =R +RR +RVV=RVII=III=I+IV=V+V=IR +V（）的最大值受到最大稽納電流限制，由於節目錄節目錄2-7發光二極體發光二極體1.LED之電路符號、偏壓安排及電發光過程之電路符號、偏壓安排及電發光過程節目錄節目錄(1)在順偏的P-N接合面，在靠近接面處會發生電子與電洞的復合作用，使自由電子所具有的能量轉變成熱能或光子的形式放射出來。(2)材料：磷砷化鎵（GaAsP）或磷化鎵（GaP）。節目錄節目錄2.LED典型的特性曲線（一）典型的特性曲線（一）節目錄節目錄(1)圖(a)中，LED有較大的電壓（約為1.73.3V）。(2)圖(b)中，LED的相對發光強度與順向電流成正比關係。(3)圖(c)中，在某一特定頻率下脈波寬度愈寬時，容許的峰值電流愈低。oV圖2-35LED典型的特性曲線（續）節目錄節目錄3.LED典型的特性曲線（二）典型的特性曲線（二）節目錄節目錄圖2-35LED典型的特性曲線（續）(1)圖(d)中，顯示出LED的發光強度在0（或正前方）時強度最大，在90（從側面看）時強度最小。(2)圖(e)中，為一典型紅色LED的光輸出與波長。(3)圖(f)中，為紅外線