電子學103-chapter4 二極體＆特殊二極體
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1
物理系光電組⼆二年級 電⼦子學
授課⽼老師：輔仁⼤大學物理系 副教授 張敏娟
單元六 ⼆二極體＆特殊⼆二極體
2015 spring
1
物理系光電組⼆二年級 電⼦子學
⼆二極體 特殊⼆二極體：⿑齊納⼆二極體、光電⼆二極體、等等
單元六 ⼆二極體＆特殊⼆二極體
把N型和P型半導體，合起來，變成⼆二極體。⼆二極體
3
半導體材料
重點回顧:半導體
純半導體
4
半導體材料N-Type Material:
+4+4
+5
+4
+4+4+4
+4+4
N型半導體，摻雜5價元素
重點回顧:半導體
5
半導體材料N-Type Material:
+4+4
+5
+4
+4+4+4
+4+4
P-Type Material:
+4+4
+3
+4
+4+4+4
+4+4
P型半導體，摻雜3價元素
重點回顧:半導體
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• 一 Drift(漂移)
半導體的導電：主要載⼦子的移動
電場
主要載⼦子延著電場⽅方向漂移
主要載⼦子是電⼦子，逆著電場⽅方向漂移，若是電洞，則順著電場⽅方向漂移。
14
• 二 Diffusion(擴散)
主要載⼦子從濃度⾼高往濃度低⽅方向移動
注⼊入載⼦子
半導體的導電：主要載⼦子的移動
15
• Diffusion(擴散)
主要載⼦子從濃度⾼高往濃度低⽅方向移動
注⼊入載⼦子 注⼊入載⼦子
注⼊入載⼦子
線性下降
⾮非線性下降
半導體的導電：主要載⼦子的移動
16
• 飄移（Drift）與擴散(Diffusion)的數學公式
電⼦子流與電洞流，與電場⼤大⼩小成正⽐比 電⼦子流與電洞流，
與載⼦子濃度變化量成正⽐比
半導體的導電：主要載⼦子的移動
17
⼆二極體Diode
二極體由pn半導體合成
6
空乏區
漂移＝擴散 擴散＝漂移
內電場
順向偏壓
8
順向偏壓，空乏區變小
逆向偏壓
9
逆向偏壓，空乏區變大
21
逆向偏壓下：二極體類似電容
逆向電壓越⼤大 空乏區越⼤大，電容可儲存的能量越⼩小
22
順向偏壓逆向偏壓
二極體特性曲線圖
逆向電流幾乎為零
順向電流指數型增加
23
逆向偏壓過大：崩潰 不可逆反應
二極體特性曲線圖（崩潰）
24
順向偏壓逆向偏壓
逆向偏壓
順向偏壓
二極體的『理想』模型
矽，約0.7V
逆向偏壓：turn off 順向偏壓：turn on
七種特殊⼆二極體介紹特殊⼆二極體
七種特殊二極體
1 齊納二極體（Zener Diode）
21
3
1 齊納二極體（Zener Diode）
4
1 齊納二極體（Zener Diode）
5
1 齊納二極體（Zener Diode）
★順向偏壓時，齊納二極體與一般二極體相同。
6
1 齊納二極體（Zener Diode）
★順向偏壓時，齊納二極體與一般二極體相同。 ★逆向偏壓時，一般二極體超過一個值之後，產生雪崩擊穿（Avalanche breakdown）。
7
1 齊納二極體（Zener Diode）
★順向偏壓時，齊納二極體與一般二極體相同。 ★逆向偏壓時，一般二極體超過一個值之後，產生雪崩擊穿（Avalanche breakdown）。而齊納二極體，產生齊納擊穿（Zener breakdown）。
8
齊納二極體IV特性曲線圖
9
齊納二極體IV特性曲線圖★VZ稱為齊納電壓
10
齊納二極體IV特性曲線圖★VZ稱為齊納電壓 ★IZ(min)到 IZ(max)稱為齊納區
11
齊納二極體IV特性曲線圖★VZ稱為齊納電壓 ★IZ(min)到 IZ(max)稱為齊納區 ★齊納二極體就工作在齊納區（反向擊穿區）。
12
齊納二極體IV特性曲線圖★VZ稱為齊納電壓 ★IZ(min)到 IZ(max)稱為齊納區 ★齊納二極體就工作在齊納區（反向擊穿區）。 ★齊納二極體和一般二極體的陽極與陰極接法相反。
13
齊納二極體IV特性曲線圖★VZ稱為齊納電壓 ★IZ(min)到 IZ(max)稱為齊納區 ★齊納二極體就工作在齊納區（反向擊穿區）。 ★齊納二極體和一般二極體的陽極與陰極接法相反。 ★開關模型也適用，當逆向偏壓絕對值小於齊納電壓時，turn off，反之，turn on。
齊納二極體33
適合⼯工作區：逆向偏壓區!功能：穩壓。
2 光電二極體(Photodiode)
34
14
2 光電二極體(Photodiode)
15
2 光電二極體(Photodiode)
16
2 光電二極體(Photodiode)
17
2 光電二極體(Photodiode)
18
2 光電二極體(Photodiode)
19
2 光電二極體(Photodiode)
偏壓＋光照
20
2 光電二極體(Photodiode)
IV特性曲線圖偏壓＋光照
21
2 光電二極體(Photodiode)斷路時的電壓，稱為光電壓
短路時的電流，稱為光電流。
22
2 光電二極體(Photodiode)光電流（Ip）與光照強度成正比（ Intensity）
2 光電二極體的應用
• 感應光線的變化，作為光偵測器。
23
問答題:請問⿑齊納⼆二極體的⼯工作範圍是？
46
逆向偏壓
問答題:請問光電⼆二極體的光電流與光照度成？⽐比例
47
線性
3 太陽能電池（Solar cell）
48
24
3 太陽能電池（Solar cell）
25
3 太陽能電池（Solar cell）
電子電洞在光激發下，於pn接面兩側產生電位差。
26
3 太陽能電池（Solar cell）
跟光電二極體超級像～
27
3 光電二極體vs.太陽能電池
3 太陽能電池的應用
28
3 太陽能電池的應用
29
4 發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)
55
32
4 發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)
常見3種顏色的LED
用在公車上的LED
4. 發光二極體(LED)符號
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早期只能夠發出低光度的紅光， 時至今日，能
夠發出的光已經遍及可見光、紅外線及紫外
線，光度亦提高到相當高的程度。 隨著白光發
光二極體的出現，逐漸發展至照明用途。
材料不是矽
17
4 發光二極體(LED)指示燈
3mm 普通圓形LED 紅光 每個約台幣1.5元 3mm 普通圓形LED 黃光 每個約台幣1.5元 3mm 普通圓形LED 綠光 每個約台幣1.5元
3mm透明 超高亮LED 藍光 每個約台幣6元 3mm透明 超高亮LED 純綠光 每個約台幣7.5元 3mm透明 超高亮LED 白光 每個約台幣9.5元
可見光指示燈
18
4 發光二極體(LED)指示燈
8mm 普通圓形LED 紅光 每個約台幣4元 8mm 普通圓形LED 黃光 每個約台幣4元 8mm 普通圓形LED 綠光 每個約台幣4元
8mm透明 高亮LED 藍光 每個約台幣10元 8mm透明 高亮LED 白光 每個約台幣13元
可見光指示燈
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4 發光二極體(LED)數字與文字
0.5吋 8X2 七段顯示器 黑面白膠紅色每個約台幣23元
數字與文字
七段顯示器
點陣式顯示器
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4 發光二極體(LED)偵測器
遠紅外線LED, 一般
用於電視與其遙控器的訊號傳輸
紫外線LED,一般用於殺菌
偵測器
4 發光二極體(LED)的照明
21
手機閃光燈
白光LED, 很夯的應用
省電燈泡
4 發光二極體(LED)的規格
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規格1. 顏色， 2. 峰值波長， 3. 順向偏壓， 4. 順向電流， 5. 詳細規格表
4 發光二極體(LED)的材料
• LED靠處於低能帶的電子吸收光子，躍遷至高能帶，再以輻射光子的形式釋放能量，躍遷至低能帶。
• 矽和鍺，輻射的光子微不足道。因此，LED的材料，通常是磷砷化鎵(GaAsP)，磷化鎵(GaP)等。其中，磷砷化鎵LED發光波長與磷和砷的比例有關，含磷比例愈高、波長越短。
23
4 發光二極體(LED)導通電壓
24
LED的IV圖，跟一般二極體相同。不過，通常是順向偏壓下使用，因此只重視順向特性。
顏色不同，導通電壓不同LED的電壓限
制
26
4 發光二極體(LED)未來發展
國際能源總署估計，至2030年全球將會有20兆美元投資於LED、環保、節能、太陽能、風力、水力等，以提高用電效能。
2014諾⾙貝爾物理學獎：三位發明藍光⼆二極體的⽇日本⼈人
67
68 2014諾⾙貝爾物理學獎：三位發明藍光⼆二極體的⽇日本⼈人
藍光⼆二極體，催⽣生出『⾼高亮度、節能的⽩白光光源』
69
20年前問世的藍光LED
師⽣生合作，都是⽇日本名古屋⼤大學⼯工學博⼠士70
指導⽼老師學⽣生
⾚赤崎勇天野浩
師⽣生合作，都是⽇日本名古屋⼤大學⼯工學博⼠士71
指導⽼老師學⽣生
⾚赤崎勇天野浩
⽼老師：85歲
學⽣生：54歲
名城⼤大學、名古屋⼤大學教授
名城⼤大學終⾝身教授、名古屋⼤大學特聘教授
獨⽴立開發藍光LED，德島⼤大學⼯工學碩⼠士。72
現任美國加州⼤大學聖芭芭拉分校教授、⽇日本愛媛⼤大學客座教授。
中村修⼆二
60歲
1990年代初期，紅光與綠光LED已⾏行之有年，但是因為獨缺藍光，因此⽩白光LED遲遲無法開發出來。
73
74
⾚赤崎勇與天野浩在名古屋⼤大學攜⼿手合作，中村修⼆二在德島市的⽇日亞化學獨⼒力研發
⽩白光LED的能源效益遠⾼高於傳統的⽩白熾燈泡與⽇日光燈管，⽽而且不斷提升，⺫⽬目前最⾼高記錄是每⽡瓦300流明（300 lm/W），相較之下，⼀一般⽩白熾燈泡只有每⽡瓦16 流明，⽇日光燈管頂多每⽡瓦70流明。
75
全球發電約1/4⽤用於照明，因此LED可以為地球省下⼤大量的資源。
76
77⽩白光LED燈泡使⽤用壽命也更⻑⾧長，可以維持10萬個⼩小時，遠超過⽩白熾燈泡的1000⼩小時與⽇日光燈管的1萬⼩小時，有助於減少材料的消耗。
10萬個⼩小時1000⼩小時
1萬⼩小時
78 全球⺫⽬目前約有15億⼈人的居住地區沒有輸電網路，推廣⽤用太陽能發電就可以維持的⽩白光LED，能夠改善他們的⽣生活品質
為何中村修⼆二是美國籍？79
中村修⼆二
1979年，中村修⼆二碩⼠士畢業後，去了⽇日亞化學公司
80
中村修⼆二竭⼒力主張開發藍⾊色雷射⼆二極體，⽇日亞因此撥給中村3億⽇日圓的研發經費。
81
1987年⾄至1988年9⽉月，中村赴美國佛羅⾥里達⼤大學留學⼀一年，回到⽇日亞投⼊入2億⽇日圓著⼿手改造有機⾦金屬化學氣相沉積法裝置，但公司制⽌止了此
⼀一研究。
82
1993年，中村發明了以GaN（氮化鎵）晶體製作藍⾊色發光元件的雙流式
MOCVD法。1994年，以論⽂文「InGaN⾼高亮度藍⾊色LED的相關研究」取得德
島⼤大學論⽂文博⼠士學位。!1995年，實現InGaN/GaN藍⾊色雷射⼆二極體的室溫下脈衝振盪。
他忍下公司內許多嘲諷、這麼多年⾟辛苦⽴立下⼤大功之後
83
什麼？專利權屬於公司！！！
這是什麼道理？
中村修⼆二於1999年離開⽇日亞公司。其後在加州⼤大學聖塔芭芭拉分校校⻑⾧長楊祖佑的強⼒力邀請下，於2000年加⼊入該校，擔任材料⼯工學院教授。
84
2004年1⽉月30⽇日，中村修⼆二控告⽇日亞化學，要求⽇日亞化學⽀支付200億⽇日圓。
85
中村修⼆二
2004年1⽉月30⽇日，中村修⼆二控告⽇日亞化學，要求⽇日亞化學⽀支付200億⽇日圓。
86
中村修⼆二
2005年1⽉月11⽇日，東京⾼高等法院做出「建議和解」裁決，⽇日亞化學⽀支付中村修⼆二8億4000萬⽇日圓。
87
中村修⼆二
中村修⼆二及其律師在記者會抨擊「⽇日本司法制度很爛」
問答題:光電⼆二極體和太陽能⼆二極體的⼯工作區，在哪？
89
光電⼆二極體 逆向電流 逆向電壓 !太陽能⼆二極體 逆向電流 順向電壓
問答題:LED的材料主要是？
90
磷砷化鎵或磷化鎵
問答題:2014年，諾⾙貝爾物理獎，由三位⽇日本⼈人獲得。因為他們發明了什麼？
92
藍光LED
問答題:為什麼中村修⼆二告⽇日亞化學公司？
93
專利權屬於公司
5 蕭特基二極體(Schottky Diode)
94
5 蕭特基二極體(Schottky Diode)
27
Schottky diode is a metal-semiconductor (MS) diode金屬-半導體二極體
5 蕭特基二極體
28
蕭特基二極體和一般PN二極體的I-V特性圖相似。只是順向電壓比較低，約0.3V。而逆向擊穿(breakdown)電壓也比較低。
5 蕭特基二極體的電流特性
29
dominant
少數載子擴散效應可忽略 反應速度快，適合開關與高頻使用
pn二極體 蕭特基二極體
6 透納二極體(Tunnel Diode)
98
6 透納二極體(Tunnel Diode)
30
符號 I-V特性圖
負電阻效應 量子穿隧效應
6 透納二極體(Tunnel Diode)
31
高摻雜，空乏區窄，引發電子產
生穿隧效應。
6 透納二極體(Tunnel Diode)
32
電子穿隧效應減弱，隧道電流減小。此時出現負
電阻效應。 振盪器、脈波產生器、數位電路
的正反器，等等。
6 透納二極體(Tunnel Diode)
33
恢復普通二極體特性。
問答題:蕭特基⼆二極體使⽤用⾦金屬與半導體作為⼆二極體的主要優點？
104
導通電壓⼩小，可⾼高速切換!可以使⽤用於⾼高頻開關
問答題:透納⼆二極體的負電阻現象，該如何解釋？
105
穿隧效應電流下降
7 半導體雷射二極體(Semiconductor Laser Diode)
106
7 半導體雷射二極體(Semiconductor Laser Diode)
34
跟LED超級像的喔~但發光原理不同。
7 半導體雷射二極體(Semiconductor Laser Diode)
35
Light emitting diodes vs. Laser diodes LEDs are based on spontaneous emission, and have 1. A broad output beam that is hard to capture and focus 2. A relatively broad spectral profile 3. Low to moderate overall efficiency 4. Moderate to high speed (≈ 1/t min) !Laser Diodes are based on stimulated emission, and have the opposite characteristics 1. Narrow, highly directed output 2. Sharp, narrow emission spectrum 3. High differential and overall efficiency 4. High to very high speed
Stimulated emission occurs when a passing photon triggers the recombination of an electron and hole, with emission of a second photon with the same frequency (energy), momentum, and phase.
自發的發光
激發的發光
7 半導體雷射二極體(Semiconductor Laser Diode)
36
價帶
導帶
7 半導體雷射二極體(Semiconductor Laser Diode)
37
吸收光
價帶
導帶
7 半導體雷射二極體(Semiconductor Laser Diode)
38
自發的發光吸收光
價帶
導帶
7 半導體雷射二極體(Semiconductor Laser Diode)
39
自發的發光激發的發光吸收光
價帶
導帶
7 半導體雷射二極體(Semiconductor Laser Diode)
40
電壓
電流
電流
光功率
體積小、構造簡單、效率高。做光纖通訊的光源或是光碟系統的寫入與讀出的光源，等等。但是功率與單
色性，比不上其他Laser。
問答題:⾃自發的發光與激發的發光，最⼤大的不同在於？
115
⾃自發是吸收⼀一個光⼦子放出⼀一個光⼦子，!激發是吸收⼀一個光⼦子放出多個光⼦子
問答題:⽤用來做光纖通訊的光源或是光碟系統的寫⼊入與讀出的光源是哪⼀一種⼆二極體？
116
半導體雷射二極體
⼤大訊號模型與⼩小訊號模型⼆二極體模型
二極體的大訊號與小訊號模型
118
直流電 交流電
偏壓 ⼩小阻抗
9
小訊號模型大訊號模型
大訊號模型 =偏壓模型
小訊號模型
大訊號模型 =偏壓模型
小訊號模型 =小阻抗模型
直流電
9
小訊號模型大訊號模型
大訊號模型 =偏壓模型
小訊號模型
大訊號模型 =偏壓模型
小訊號模型 =小阻抗模型
交流電
9
小訊號模型大訊號模型
大訊號模型 =偏壓模型
小訊號模型
大訊號模型 =偏壓模型
小訊號模型 =小阻抗模型
直流電 ＋交流電
問答題:⼆二極體在直流時，應⽤用的模型？
123
⼤大訊號模型(直流偏壓)
問答題:⼆二極體在交流時，應⽤用的模型？
124
小訊號模型(小阻抗)
半波整流器與全波整流器⼆二極體應⽤用
11
上波保留
1. 半波整流器: 原理
11
上波保留
下波保留
1. 半波整流器: 原理
12
加⼊入電容，可穩壓
1. 半波整流器: 穩壓電容
13
電容與阻抗，有漣波效應
1. 半波整流器: 穩壓阻抗
14
電容值越⼤大，漣波電壓越⼩小
1. 半波整流器：穩壓效果
問答題:⼀一個⼆二極體所形成的半波整流器，需要加上電容，形成更穩壓的效果。請問，電容值越⼤大，越？
132
電容值越⼤大，漣波電壓越⼩小
15
2. 全波整流器：原理
16
全波整流器(橋式整流器)
17
全波整流器: 穩壓電容與阻抗
18
半波整流器vs全波整流器
漣波⼤大 漣波⼩小
19
齊納二極體： 就像個小電阻，只在逆向偏壓區工作。穩壓。
整流電路
20
電網電壓 電源變壓 整流電路 濾波電路 電壓調節器 輸出
t
v
⿑齊納⼆二極體電容半波與全波變壓器牆上插座
問答題:全波橋式整流器⽤用了幾個⼆二極體？
140
4個
問答題:半波整流器與全波整流器⽐比起來，漣波⽐比較⼤大還是⽐比較⼩小？
141
半波整流器的漣波是全波整流器的兩倍
問答題:半波整流器與全波整流器的輸出頻率的關係？
142
半波整流器的頻率是全波整流器的⼀一半
補充參考資料：另⼀一種解釋半波與全波整流器的⽅方法
143
半波整流
輸⼊入 交流電
輸出 直流電
這線路只⽤用⼀一個⼆二極體
當電源為上正下負時,⼆二極體為正向偏壓,電流可以通過它
+
–
交流電
_
+
當電源為上負下正時,⼆二極體為反向偏壓,電流不可以通過它
交流電
電流只能循⼀一個⽅方向經過負載,雖然只有⼀一半時間有電流通過(半波整流),但⽅方向沒有變,因此是直流電
+
θ
輸⼊入A.C.,電流
不停改變⽅方向輸出電流反向時,不能通
過⼆二極管,只有單⼀一⽅方向
輸出
直流電輸⼊入 交流電
θ
輸⼊入
交流電輸出
直流電
橋式整流:
+
–
這線路⽤用 4 個⼆二極體
D1 D2
D4
D3
輸⼊入 交流電
輸出 直流電
當輸⼊入端是 上正下負 時,電流流經 綠⾊色 的⼆二極管:
+
–
D1 D2
D4
D3
輸⼊入 交流電
輸出 直流電
當輸⼊入端是 上負下正 時,電流流經 橘⾊色 的⼆二極管:
+
– D1 D2
D3
D4
+
–
+
–
無論在哪種情況下,電流總是由負載的上⽅方流向下⽅方,⽅方向沒有改變,因此,輸出是直流電
–
–
+
+
負載
+
_
中⼼心抽頭的變壓器：這個線路⽤用2個⼆二極體
D2
D1在輸出端有兩組相同電壓的次級線圈
當變壓器是 上正下負 時,電流流經 綠⾊色 的⼆二極體:
負載
_
+
D2
D1
當變壓器是 上負下正 時,電流流經 橘⾊色 的⼆二極管:
負載
+
_
D2
D1
+
_
+
_
無論在哪種情況下,電流總是由負載的上⽅方流向下⽅方,⽅方向沒有改變,因此,輸出是直流電
問答題:請問中⼼心抽頭式全波整流器，使⽤用了幾個⼆二極體？
157
2個
158
第六單元 結束