第一章　半導體概論 1-1

1-1　共價鍵與價電子 1-3

1-2　能帶與固態材料的分類 1-7

1-3　半導體材料與分類 1-10

1-4　雜質半導體（Impurity Semiconductor） 1-13

1-5　半導體導電特性 1-17

1-6　半導體溫度特性 1-23

1-7　PN 接面 1-25

第二章　二極體 2-1

2-1　PN 二極體 2-3

2-2　二極體電路解法 2-13

2-3　特殊二極體 2-18

第三章　二極體應用電路 3-1

3-1　電源電路概論 3-4

3-2　整流器（Rectifier）電路 3-8

3-3　濾波器（Filiter）電路 3-16

3-4　倍壓器（Voltage Multiplier）電路 3-22

3-5　截波器（Clipper）電路 3-25

3-6　箝位器（Clamper）電路 3-33

第四章　雙極性電晶體 4-1

4-1　基本概念 4-3

4-2　微觀物理結構 4-11

4-3　線性放大組態 4-14

4-4　直流偏壓電路 4-21

4-5　負載線（Load Line）與工作點（Operating Point） 4-32

4-6　歐力效應（Early Effect） 4-35

第五章　場效應電晶體 5-1

5-1　基本概念 5-3

5-2　JFET 5-7

5-3　增強型 MOSFET（Enhancement MOSFET） 5-12

5-4　空乏型 MOSFET（Depletion MOSFET） 5-18

5-5　非理想特性 5-24

5-6　CMOS 結構與特性 5-27

5-7　FET 直流偏壓分析 5-29

第六章　小信號單級放大器 6-1

6-1　雙埠網路 6-3

6-2　BJT 小訊號的模型及參數 6-7

6-3　FET 小訊號的模型及參數 6-21

第七章　多級放大與頻率響應 7-1

7-1　分　貝 7-3

7-2　頻率響應概論 7-5

7-3　串級特性 7-8

7-4　耦合類型 7-11

7-5　電晶體複合組態 7-15

7-6　轉移函數與波德圖 7-23

7-7　頻率響應分析技巧 7-26

7-8　電晶體高頻小信號模型 7-30

第八章　電流鏡與差動放大器 8-1

8-1　BJT 電流鏡 8-3

8-2　MOS 電流鏡 8-13

8-3　BJT 差動放大器 8-17

8-4　FET 差動放大器 8-29

第九章　負回授 9-1

9-1　基本觀念 9-3

9-2　回授放大器 9-6

第十章　功率放大 10-1

10-1　基本觀念 10-3

10-2　各典型電路分析 10-7

10-3　放大器的失真 10-15

10-4　散熱與功率 10-17

第十一章　運算放大器 11-1

11-1　理想 OPA 11-3

11-2　基本應用電路 11-8

11-3　數學運算電路 11-16

11-4　信號取樣電路 11-30

11-5　特殊應用電路 11-37

11-6　非理想運算放大器特性 11-45

11-7　μA741 11-53

第十二章　濾波器 12-1

12-1　一階濾波器 12-3

12-2　二階濾波器 12-9

12-3　特殊濾波器 12-19

第十三章　信號產生器 13-1

13-1　概　論 13-3

13-2　低頻弦波振盪器 13-6

13-3　高頻弦波振盪器 13-11

13-4　史密特觸發器（Schmitt Trigger） 13-15

13-5　非正弦波振盪器 13-19

第十四章　穩壓電路 14-1

14-1　基本觀念 14-3

14-2　線性電壓調節器 14-6

14-3　交換式電壓調節器 14-11

第十五章　數位邏輯電路 15-1

15-1　組合邏輯（Combinatorial Logic） 15-3

15-2　循序邏輯（Sequential Logic） 15-6

15-3　記憶體（Memory） 15-12

15-4　BJT 邏輯電路 15-19

15-5　CMOS 邏輯電路 15-30

15-6　電氣特性 15-36

附　錄　最新試題 16-1

第一章　半導體概論　1－3

1-1

共價鍵與價電子

依據波爾原子模型可知，軌道上電子的分布有下列兩項規則：

數量原則：依循 2N2規則（N 為軌道數）。

填滿原則：內層填滿後，才會依序往外擴充。

最後必會產生一個最後（最外）層的軌層，此最外層軌道上的電子不一定

呈現填滿的狀態。

價電子：

價電能軌（Valence Orbit）：原子最外層的軌道。

價電子（Valence Electron）：價電能軌上的電子，即原子最外層軌道上

的電子。

價電子由於位在原子結構的最外層，所以受到本身原子核的吸引力最小

（吸引力與距離平方成反比）。所以當受到足夠的外加能量（例如：溫

度、輻射、電場……）所激勵後，後部分的價電子便會跳到更外層的空

能軌上，脫離原有（原子核）的束縛。

共價鍵結（Covalent Bonidng）：

矽（或鍺）原子是一種四價的元素，依據「八隅體學說」，其價電子會

以「互相分享」來達到穩定的狀態。

每一個矽（或鍺）原子都與其相鄰的 4 個原子共用一個價電子，使每一

個矽（或鍺）原子最外層的軌道上都各有 8 個價電子，而達到穩定的需

求，此種結合的方式便稱之為：共價鍵結。

1－4　電子學

矽原子的共價鍵組態

電荷載子（Charge Carriers）：

共價鍵破裂：共價鍵內的價電子獲得足夠的外加能量，克服共價鍵的束

縛，形成自由電子的過程。

電洞（Hole）：共價鍵破裂時，價電子脫離價電帶所留下的空缺（

Vacancy）。

電子電洞對（Electron-hole Pair）：每一個共價鍵破裂時，均會同時產

生一對數目相同的自由電子和電洞。

價電子　　　　自由電子電洞

電洞的特性：

產生

結合

矽與鍺的原子結構圖

第一章　半導體概論　1－5

電洞等效於一個載有正電荷，且電荷量與電子相同的個體1.6‧

10 19− 庫侖。

電洞的移動方向與電子相反。（補位作用）

電子的移動率高於電洞的移動率。

可藉由霍爾效應（Hall Effect）來證明電洞為一個帶正電荷的粒子。

電子流與電洞流：

傳導帶中，自由電子的移動造成電子流。價電帶中，電洞的移動造成電

洞流。

電子流與電洞流：方向相反、大小相等（本質半導體）。

電洞流的方向與傳統電流的方向相同。

電子流與電洞流的結果是相加作用而不是互相抵消 I Ih Ie。

半導體中存有兩種電荷載子電子與電洞電子流＋電洞流。

金屬導體因無能隙間隔，所以不存在電洞載子電子流。

、每一個共價鍵斷裂會產生：

一個電洞 一個自由電子

兩個自由電子 一個電洞和一個自由電子

【地方五】

：

、純矽質半導體中，其原子的結合方式為：

金屬結合 離子結合 共價結合 電子結合

1－6　電子學

【普考】

：

、半導體因溫度的關係造成共價鍵破裂，此時半導體會產生：

僅有自由電子 僅有電洞

自由電子及電洞 正負離子 【臺電養成班】

：

第一章　半導體概論　1－7

1-2

能帶與固態材料的分類

材料能帶模型：

每一種固態材料都有其本身的能帶圖（Energy Band Diagram），而由能

帶圖可看出材料的一些基本特性，例如：傳導或絕緣能力、吸光與放光

特性等。

能帶（Energy Band）：

孤立的原子：「能軌」與「能階」。

固態材料：無數個原子交互作用後將使得電子的出沒不再是一個特定

且單一的能軌，而是一個能量的範圍（Range），這個能量的範圍稱

之為：能帶。

能隙（Energy Gap，Eg）：

能帶與能帶間的能量間隙。

電子不允許出現在能隙的範圍內，所以能隙代表電子在能量空間中的

「禁止區（Forbidden Region）」。

Eg Ec Ev，即自價電帶移一電子到傳導帶所需的能量或電子自傳

導帶返回價電帶所釋放的能量。

當溫度升高時，物質因吸收了熱能，而使得能隙相對地變小導電性

增加。

能隙的大小是物體導電能力好壞的因素之一。

價電帶（Valence Band）：價電子所處的能帶範圍。

傳導帶（Conduction Band）：自由電子所存在的能帶範圍。

能帶示意圖

1－8　電子學

各能階躍遷公式：

各能階進行跳躍間所需的能量：

E h‧f

h（浦郎克常數，Planck Constant）：6.626 10 34− J-s。

實用公式：

VC EE

12400

−Å

gE

1240nm

固態材料的分類：

材料

特性

導 體

（Conductor）

絕 緣 體

（Insulator）

半 導 體

（Semiconductor）

能 隙

傳導帶與價電帶重疊

Eg 0

能隙過大 矽：1.21eV（0K）

鍺：0.78eV（0K）

電 導 係 數

（Ω-cm） 1− 103 10 8− 10 8− ～103

自由電子濃度

（個/cm3） 1022 107 107～1022

導 電 載 子 電子 無 電子、電洞

電 流 漂移電流 無 擴散電流、漂移電流

溫 度 效 應 T↑導電率↓ 無導電率本質：T↑導電率↑

高雜質：T↑導電率↓

電阻溫度係數 正 負本質：負

高雜質：正

電子伏特（Electron Volt，eV）：

一種表示「能量」或「功」的單位。

定義：移動 1 個電子使其電位差等於 1 伏特所做的功。

　1eV 1.602‧10 19− C‧1V

　1eV 1.602‧10 19− Joule

　1eV 1.602‧10 12− erg

第一章　半導體概論　1－9

目的：符合電子的微觀世界。

、負電阻溫度係數之材料，當溫度愈高時，其電阻：

愈小 愈大 不變 不一定

先變小再變大 【臺電養成班】

：

、電子伏特表示：

電壓 電流 能量 阻抗

【地方五】

：

1－10　電子學

1-3

半導體材料與分類

常見半導體材料的分類：

依元素的組成可分為：

元素半導體（Element Semiconductor）：矽（Si）、鍺（Ge）。

複合物（化合物）半導體（Compound Semiconductor）：砷化鎵（

GaAs）。

依能帶結構可分為：

間接能隙（Direct Bandgap）：矽（Si）、鍺（Ge）。

直接能隙（Indirect Bandgap）：砷化鎵（GaAs）。

第一章　半導體概論　1－11

常用的半導體材料特性比較表（300K）：

鍺（Ge） 矽（Si） 砷化鎵（GaAs）

原子量（g/mole） 72.6 28.09 144.63

密度（g/cm3） 5.33 2.33 5.33

原子濃度（個/cm3） 4.41 1022 4.99 1022 4.42 1022

能隙 Eg（eV） 0.66 1.12 1.42

本質濃度 ni

（個/cm3）2.4 1013 1.5 1010

（1.45 1010）1.8 106

電子遷移率μn

（cm2/V-sec）3900 1500 8500

電洞遷移率μp

（cm2/V-sec）1900 480 400

電子擴散係數 Dn

（cm2/sec）100 40 220

電洞擴散係數 Dp

（cm2/sec）50 12 10

介電常數r 16 11.7 13.1電阻係數(Ω-cm) 47 2.3 105 108

少數載子平均壽命

（sec）10 3− 2.5 10 3−

10 8−

原子鍵結 共價鍵 共價鍵 離子鍵

能帶結構 間接能隙 間接能隙 直接能隙

週期表中與半導體有關的元素：

週期 二價 三價 四價 五價 六價

2B 硼 5

Boron

3Al 鋁 13

Aluminum

Si 矽 14

Silicon

P 磷 15

Phosphorus

S 硫 16

Sulfur

4Zn 鋅 30

Znic

Ca 鎵 31

Gallium

Ge 鍺 32

Germanium

As 砷 33

Arsenic

Se 硒 34

Selenium

5Cd 鎘 48

Cadmium

In 銦 49

Indium

Sb 銻 51

Antimony

元素半導體：

1－12　電子學

為一種「單晶半導體」。

代表：矽（Si）、鍺（Ge）。

鍺是 1950 年代主要的半導體材料，現已被矽所取代。

矽是目前應用最廣泛、技術最成熟的半導體。

Ⅲ─Ⅴ族半導體：

為一種「複合物半導體」。

代表：砷化錠（GaAs）。

應用：微波元件、光電元件。

Ⅱ─Ⅳ族半導體：

為一種「複合物半導體」。又稱為：氧化物型半導體。

代表：硒化鋅（ZnSe）、硫化鎘（CdS）。

應用：熱阻體、感測元件。

ZnSe 的放光波長正好介於藍光的範圍藍光 LED。

、下列何種材料參數為決定半導體光偵測器可使用的光波頻段？

半導體熱脹冷縮係數 半導體能隙（Band Gap）寬度

半導體電阻率 半導體的光激發載子生命週期

【初考】

：