从半导体到电晶体1

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1、Chapter5從半導體到電晶體的有趣歷程Jie.yao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5.3pn界面P與N的串聯正向偏壓反向偏壓2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35.1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(freeelectron)，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

2、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)45.1半導體物理特性矽元素是最常用的半導體材料SiSiSiSiSiSiSiSiSi鏈結電子絕對零度時的矽元素，所有電子皆為共價鍵所束縛而無法自由活動，故導電性為零，此時它是一個絕緣體。55.1半導體物理特性SiSiSiSiSiSi自由電子SiSiSi電洞當溫度高於絕對零度時，部分鍵結電子會吸收熱能掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，在原來的共價鍵上留下一個空洞，稱為電洞(hole)。65.1半

3、導體物理特性對純半導體(intrinsicsemiconductor)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5eV/K(波茲曼常數)T是絕對溫度75.1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

4、半導體。85.1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。95.1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。105.1半導體物理特性圖5.3(a)SiSiSiSiSiSiSiSiSi電洞＋－圖5.3(b)SiSiSiSiSiSiSiSi

5、Si電洞＋－假如在圖形左側加上正電壓，則位於電洞右方的電子會受到正電位吸引而填補該電洞原來的位置上留下一個新的電洞，等效上好像電洞受到負電位吸引而向右移動，方向剛好和電子移動的方向相反115.1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‘slaw)125.2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135.2摻雜元素n型

6、半導體SiSiSiSipSiSiSiSi自由電子在純矽中摻入五價元素磷(P)原子，P原子最外層有五顆價電子，其中四顆會分別與相鄰的四顆Si原子的外層電子鍵結，剩下的一顆便自然成為自由電子，我們稱P原子為捐贈者(donor)，因為它捐了一顆電子出來。145.2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155.2摻雜元素n型半導體內，通常pn<

7、er)165.2摻雜元素p型半導體加入三價元素如硼(B)原子，B原子最外層有三顆價電子，它們會分別與相鄰四顆Si原子其中三顆的價電子鍵結，剩下的一顆Si原子之價電子便形成欠缺鍵結電子的電洞。當外加電場時，電洞會吸引鄰近的鍵結電子移動而改變Si的導電性，其行為類似帶正電荷的自由電子。我們稱摻入的B原子為接受者(acceptor)，因為它形成一個電洞等著接受一顆電子來填補SiSiSiSiSiSiSiBSi電洞175.2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

8、半導體內，由於np<