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Chapter 5

Chapter 5. 從半導體到電晶體的 有趣歷程. 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.

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Chapter 5

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Presentation Transcript

  1. Chapter 5 從半導體到電晶體的有趣歷程

  2. 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

  3. 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

  4. 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. 5.1 半導體物理特性 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 鏈結電子 • 矽元素是最常用的半導體材料 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。

  6. 5.1 半導體物理特性 Si Si Si Si Si Si Si Si Si 電洞 自由電子 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)。

  7. 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

  8. 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。

  9. 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 。

  10. 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。

  11. 5.1 半導體物理特性 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si ＋ － 電洞 ＋ － 圖5.3(b) 圖5.3(a) 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 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

  12. 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)

  13. 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

  14. 5.2 摻雜元素 Si Si Si Si Si Si Si Si p 自由電子 • n型半導體 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。

  15. 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

  16. 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)

  17. 5.2 摻雜元素 Si Si Si Si B Si Si Si Si 電洞 • 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

  18. 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

  19. 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

  20. 5.3 pn界面 R R’ R R’ R R’ p p’ p n R R’ • 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。

  21. 5.3 pn界面         + + + + + + + + 圖5.8 空乏區 • P型與n型的交界面因為n型半導體內的自由電子越過界面並與界面附近p型半導體內的電洞結合，而p型半導體內的電洞也會越過界面並與n型半導體內的自由電子結合，因而形成一個幾乎沒有電子與電洞的空乏區(depletion region) n p Vo  +

  22. 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

  23. 5.3 pn界面     + + + + • 正向偏壓 • 外加電壓會降低pn界面的位能障礙，當V足夠大時，pn界面的位能障礙降得很低 • 大量n型半導體內的自由電子越過pn界面，並與p型半導體內的電洞結合；而大量p型半導體內的電洞也越過pn界面，並與自由電子結合而消失。 • 在此情況下，pn半導體的行為近似於導體，因為在固定電壓下能產生大量的電流。 空乏區 n p I +  V

  24. 5.3 pn界面 • 當V < Vcut-in(約0.5V )時，只有極少數自由電子及電洞能越過pn界面，故電流很小。但當V > Vcut-in時，開始有大量自由電子及電洞能越過pn界面形成電流 • 空乏區的寬度縮小 • 越過pn界面的自由電子及電洞其濃度隨遠離空乏區而漸降

  25. 5.3 pn界面 • 流經pn界面的電流(I)與外加電壓(V)之間的關係 • IS為反向飽和電流(reverse saturation current)

  26. 5.3 pn界面             + + + + + + + + + + + + • 反向偏壓 • 外加電壓提高了pn界面的位能障礙，使得n型半導體內的自由電子及p型半導體內的電洞很難越過pn界面，因此電流趨近於零 • 在反向偏壓的情況下，它的行為近似一個絕緣體。 • 由於外加電壓的極性使自由電子與電洞被吸引離開pn界面，故形成更寬廣的空乏區。 空乏區 p n I = 0 V  +

  27. 5.3 pn界面 • 以上p型和n型半導體的組合便是先前學習過的二極體，其中p型半導體是陽極，而n型半導體為陰極。所以二極體是利用pn界面的特性，成為一顆具方向性的元件。 - +

  28. 5.4 兩個pn界面(電晶體) • npn型半導體與pn半導體不同的是它有兩個pn界面。其結構就像是兩顆將陽極連接在一起的二極體，結果只是兩顆二極體的組合，毫無特殊之處。 • 真正奇妙的結果是由於調整不同的p,n厚度而形成。

  29. 5.4 兩個pn界面(電晶體) • 刻意將中間的p型半導體做得很薄 • 將其中一塊n型半導體的摻雜濃度大幅提高(n+) ，使得兩塊n型半導體成為不對稱的結構 • 發現它的行為和兩顆二極體的組合顯著不同，此一發現正式宣告電晶體的來臨 n+ p n Emitter Base Collector

  30. 5.4 兩個pn界面(電晶體) n + p n +  VCE 電子流動方向  VBE + • VBE < Vcut-in B-E界面處於截止狀態，幾乎沒有自由電子或電洞能越過B-E界面，故電流為零 • VBE > Vcut-inB-E界面處於導通狀態，大量的自由電子由Emitter飛向Base，數量由VBE決定

  31. 5.4 兩個pn界面(電晶體) n + p n +  VCE 電子流動方向  VBE + • VBE > Vcut-in • 當VCE = 0V • 由Emitter飛向Base的自由電子全部由B極流出。 • 當0 < VCE < 0.3V • 由Emitter飛向Base的自由電子受到Collector正電位吸引，一部分會越過B-C界面由Collector流出，另一部分則由Base流出。 • 當VCE 0.3V時 • 絕大部分由Emitter飛向Base的自由電子都被吸引由Collector流出，僅極少數由B極流出

  32. 5.4 兩個pn界面(電晶體) • 以上的特性和二極體大不相同，所以是一顆嶄新的元件。 • 這顆三端元件稱為雙極性界面電晶體(Bipolar Junction Transistor, BJT)。 • 工作原理整理 • 利用Emitter的高濃度自由電子(n+)主導整個元件的導電行為，相形之下電洞的作用很小。 • 利用VBE控制Emitter高濃度自由電子的流量。 • 將Base做得很薄，使VCE得以控制流向Base及Collector的比例

  33. 5.5 電晶體特性 C B E • 截止模式(cutoff mode) 當VBE < Vcut-in，幾乎沒有自由電子或電洞越過B-E界面，所有電流皆為零 • 飽和模式(saturation mode) 當VBE > Vcut-in，B-E界面處於導通狀態。假如0V  VCE < 0.3V，此時電晶體處於飽和模式 • 主動模式(active mode) 當VBE > Vcut-in，B-E界面處於導通狀態，假如VCE 0.3V，則電晶體處於主動模式。

  34. 5.5 電晶體特性 • 主動模式(active mode) IC和VBE的關係和二極體相同且不受VCE影響 IC和IB呈比例關係

  35. 5.5 電晶體特性 • 由KCL得到

  36. 5.5 電晶體特性 active mode saturation mode IC cutoff mode 0.3V VCE • 特性曲線 • 當VBE < Vcut-in(0.5V)，BJT處於截止模式，IC=0。 • 當VBE > Vcut-in，BJT處於導通狀態。 • 若0  VCE < 0.3V，BJT工作於飽和模式，IC隨VCE上升而增加。 • 若VCE 0.3V，BJT工作於主動模式，IC等於定值而不隨VCE改變。

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