學習使用電晶體/(2)半導體的P-N接面－老音響資料庫/蘇桑部落格

4. P-N接面的導電

　　上回我們談到N型半導體和P型半導體內導電的情形,現在我們來談談由N型和P型半導體接合而成的接面二極體的特性。

　　如圖十五所示,一塊P型和一塊N型半導體被接在一起,由於P型半導體中有多餘的電洞,而N型半導體中有多餘的電子,所以當它們二者接在一起時,在接面處的少數電子會填入電洞中。一種似是而非的想法是:P型半導體內的電子會不斷透過接面與P型半導體中的電洞結合,直到所有的電子或電洞消失為止。事實上,原來P型或N型半導體中的電性是中性的,N型半導體既然失去了電子,就變成了帶正電的離子,P型半導體既然得到了電子,就變成帶負電的離子。眾知正離子會吸引電子,而負離子則有丟掉電子的傾向。這種傾向,隨電子和電洞的復合而增強,直到平衡為止。這時候,N型半導體內因缺乏少量電子而呈較高的電位,P型則因多了額外電子而呈較低的ˊ電位,這就如同P-N接合半導體內有一電池一樣,圖十五中虛線畫出的電池就是這個意思。而在P-N接合面附近,由於缺乏載子(即多餘的電子和電洞)而形成空泛區(depletion region)或稱作空間電荷區(spacecharge region),或稱作變遷區(transition region)。

　　現在如果我們接上一個電池,正極接N,負極接P,如圖十六所示,看看結果會怎麼樣,由於電池正端具有吸引電子的特性,而負端有吸引電洞的特性,所以造成了電子和電洞遠離接面。然而這種過程不可能無止境的繼續下去,因為若要有一項穩定的電洞流(即電流)朝左邊去的話,這些電洞必須由N側的矽經過接面運送過來;然而在N型那邊電洞甚少,只有少數因熱能而產生的電洞──電子對。所以在反向偏壓時,二極體通過的電流很少,當然這種反向偏壓也不是沒有限制的,如果一直增加下去,總有崩潰的一天,這時候這個二極體就會和一個導體一樣,大量導電。

　　現在讓我們來看看順偏的情形,如圖十七所示,此時電子和電洞被推向中間而互相復合,而後電池的負端又不斷地補充電子於N型半導體,而電池的正端則吸引P型半導體中因失去電子而留下許多電洞來!如此不斷地產生電子和電洞,故電路中有電流流通。

5. 二極體的特性

　　在理論上,一個P-N接面中電流與電壓間的關係如下:

　　VT代表溫度的伏特當量,在室溫(300度K)下,VT=0.026V=26mV。26毫伏這個數值對於一個研究半導體物理的人而言非常重要,您不妨多喵兩眼!而n的值,在鍺二極體是1,在矽二極體是2。如果照此關係繪圖,則如圖十八(a)所示,是一個理想二極體的曲線Io,被稱為反向飽和電流,因為Io幾乎不隨電壓而變,而順向電流則是呈指數型增加的。圖十八(b)繪出一個鍺二極體的實際曲線,注意反向電流的標度是uA,順向則是mA;這樣Io被誇張了許多,以便能看得更清楚些。

在V-I曲線中,斜率代表著電阻的倒數(1/R),反偏時,曲線的斜率為零,表示R=無窮大,順偏時斜率愈來愈大,代表R愈來愈小。從這兒也能知道二極體的電阻是隨電流而變的,順向電流愈大時,電阻愈小。

　　那麼鍺二極體和矽二極體又有何不同呢?看圖十九,繪出鍺質與矽質二極體的特性曲線。注意到鍺質二極體在超過0.2V時大量導電,而矽質則需0.6V;這項電壓,被稱為切入電壓(cutin voltage)或臨限電壓(threshold voltage),這是為什麼在AM、FM收音的檢波電路要用赭質二極體的關係;如果用矽質,0.6V以下全部不能通過,訊號的損失就會相當嚴重。除此之外,鍺質半導體在用於許多低功率的場合也能減少功率損失而提高效率,以圖十九為例,當流過100mA時,鍺質二極體的電壓是0.65V,因此消耗在鍺二極體上的功率是0.65x100=65mW。而矽二極體的電壓則為0.93V,要消耗93mW的電力。常見的照相機閃光燈,以鍺半導體來振盪,不但節省電池,又不必太大的散熱器來冷卻電晶體。

　　接下來我們來討論一下二極體特性和溫度間的關係。在(1)式中,Io和VT都是溫度的函數,由實驗上數據發現,不論矽或鍺質二極體,當溫度上升1度時,Io會增加7%,若上升10度,則(1.07)10=2,也就是變成為2倍。因此溫度愈高,二極體的電流會愈大,電流愈大,發熱就愈多,因此溫度上升。溫度一上升,電流又愈大,如此惡性循環,終有燒掉的一天(鍺質半導體的破壞溫度約85度C,矽質為150度C)。除非我們設法在溫度升高時,降低加在二極體兩端的電壓,若要維持電流為一定值,則:

　　這是個微分式子,只要您記得當溫度上升一度時,把電壓降低2.5mV就可以維持電流為一定值,後級擴大機的功率晶體必須有熱補償的道理也在此。

　　現在我們談一談一個比較不常見的二極體特性,級二極體的空泛區電容CT。

　　在前面的導論可知,當反偏時,電子和電洞走向兩邊,因而增大了空泛區的寬度W,此W與外加電壓的關係式為:

　　Vj為反偏時的外加電壓,K是一常數。由此可知空泛區的寬度是隨電壓的1/2次方成正比的,若此二極體的截面積為A,則在W寬度內的空泛區電容量G為:

　　當W愈大時,CT就愈小,故外加電壓愈高時,CT就愈小,專門為了應用這種特性而製造的二極體,就稱為變容二極體(varactors, varicaps,或者voltacaps)。

　　變容二極體的用途,相信大家都曉得,調諧器中的觸控選台,電視機的遙控等等。

　　還有一種二極體是用於反偏的,就是常見的積納二極體(Zener Diode),圖二十繪出了Zener的V-I關係圖;反偏時,在轉彎處的電流稱為IZK,Zener是不適合在這個電流下操作的,通常都會操作於IZ的電流,因為在IZ時,縱使電流稍有變化,也不至於影響VZ太大。而IZ究竟是多少呢?通常5mA左右是相當合理的。

　　還有一種定電流二極體(CRD:Current Regulator Diode),圖二十一繪出了此二極體的特性,在順偏電壓為5~120V的範圍內,電流是一定值Ip,這種二極體有相當好的恆流特性,在SF 106N當中,兩支差動級用的18K歐姆電阻,若換成2mA的CDR,則更能提高差動級的CMRR(共模訊號拒斥比),使106N的性能更上層樓。