## 課程目標
* 理解半導體的基礎知識。
* 認識P-N接面的形成原理。
* 掌握二極體的基本結構與電路符號。
* 了解二極體在不同偏壓下的工作狀態。
## 1. 半導體基礎
### 1.1 什麼是半導體？
在電子學中，材料根據其導電能力分為三類：
* **導體 (Conductors)：** 具有大量自由電子，導電性極佳，如銅、銀。
* **絕緣體 (Insulators)：** 幾乎沒有自由電子，導電性極差，如玻璃、橡膠。
* **半導體 (Semiconductors)：** 導電能力介於導體和絕緣體之間，其導電性可透過溫度、光照或摻雜來控制，這使得它們在電子元件製造中具有獨特的應用。常見的半導體材料有矽 (Silicon, Si) 和鍺 (Germanium, Ge)。
### 1.2 晶體結構與共價鍵
矽原子有四個價電子，在晶體中每個矽原子會與周圍四個矽原子形成**共價鍵 (Covalent Bond)**，共用價電子，形成穩定的晶體結構。在絕對零度下，所有價電子都被束縛在共價鍵中，半導體表現為絕緣體。
### 1.3 電子與電洞
當能量（如熱能或光能）足夠大時，共價鍵中的電子會獲得能量脫離束縛，成為**自由電子 (Free Electron)**。電子離開後，會在原來的位置留下一個帶正電的「空位」，這個空位稱為**電洞 (Hole)**。
* **電子：** 帶負電，在電場作用下向正極移動。
* **電洞：** 視為帶正電的載子，在電場作用下向負極移動（實際上是相鄰電子填補電洞，造成電洞移動的假象）。
電子和電洞統稱為**載流子 (Charge Carriers)**。
## 2. 本質半導體與摻雜
### 2.1 本質半導體 (Intrinsic Semiconductor)
指純淨的半導體材料，不含任何雜質。在本質半導體中，電子和電洞的數量相等，且載流子濃度較低，導電性較差。
### 2.2 摻雜 (Doping)
為了提高半導體的導電性並控制其導電類型，我們會在純淨的半導體中故意加入少量雜質，這個過程稱為摻雜。摻雜後的半導體稱為**非本質半導體 (Extrinsic Semiconductor)**。
#### 2.2.1 N型半導體 (N-type Semiconductor)
* **摻雜劑：** 摻入五價元素（如磷 P、砷 As）。這些元素有五個價電子。
* **形成原理：** 五價原子進入矽晶格後，其中四個價電子與周圍矽原子形成共價鍵，剩下一個價電子成為**自由電子**。
* **載流子：** 自由電子是多數載流子 (Majority Carrier)，電洞是少數載流子 (Minority Carrier)。
* **命名：** N代表Negative（負電），因為增加了帶負電的自由電子。
#### 2.2.2 P型半導體 (P-type Semiconductor)
* **摻雜劑：** 摻入三價元素（如硼 B、鎵 Ga）。這些元素有三個價電子。
* **形成原理：** 三價原子進入矽晶格後，其中三個價電子與周圍矽原子形成共價鍵，但缺少一個電子來形成完整的共價鍵，從而產生一個**電洞**。
* **載流子：** 電洞是多數載流子，自由電子是少數載流子。
* **命名：** P代表Positive（正電），因為增加了帶正電的電洞。
## 3. P-N接面原理
### 3.1 P-N接面的形成
當一塊P型半導體與一塊N型半導體緊密接觸時，其交界面就形成了**P-N接面 (P-N Junction)**。
### 3.2 空乏區 (Depletion Region)
* **形成：** 在P-N接面形成瞬間，由於濃度梯度，N區的多數電子會向P區擴散，P區的多數電洞會向N區擴散。
* **離子化：** 當電子擴散到P區時，會與P區的電洞復合，使P區的受主原子（帶負電）離子化；電洞擴散到N區時，會與N區的電子復合，使N區的施主原子（帶正電）離子化。
* **電場建立：** 在接面兩側形成了一個沒有自由載流子的區域，稱為**空乏區**。這個區域內充滿了帶正電的施主離子和帶負電的受主離子，這些離子形成了內建電場 (Built-in Electric Field)，其方向從N區指向P區。
* **平衡：** 內建電場阻止了載流子的進一步擴散，最終達到動態平衡。空乏區的寬度與內建電場的強度取決於摻雜濃度。
## 4. 二極體結構與符號
### 4.1 二極體結構
二極體本質上就是一個P-N接面。它有兩個端子：
* **陽極 (Anode, A)：** 連接P型半導體。
* **陰極 (Cathode, K)：** 連接N型半導體。
### 4.2 二極體電路符號
二極體的電路符號是一個箭頭和一條直線的組合：
```
───▻|───
A K
```
箭頭指向的方向代表電流的「順向」流動方向（從陽極到陰極），這也是傳統電流方向。
## 5. 二極體基本特性
二極體最重要的特性是其單向導電性，即在電路中只允許電流沿一個方向流動。這取決於施加在二極體兩端的電壓方向，稱為**偏壓 (Biasing)**。
### 5.1 順向偏壓 (Forward Bias)
* **施加電壓：** 當外部電壓使陽極 (P區) 電位高於陰極 (N區) 電位時。
* **工作原理：** 外部電場方向與內建電場方向相反，削弱了內建電場。當外部電壓達到一定值（例如矽二極體約0.7V）時，空乏區變窄，載流子可以跨越P-N接面，形成較大電流。
* **特性：** 電流顯著增加，二極體呈現低電阻狀態，如同「開關導通」。
### 5.2 逆向偏壓 (Reverse Bias)
* **施加電壓：** 當外部電壓使陽極 (P區) 電位低於陰極 (N區) 電位時。
* **工作原理：** 外部電場方向與內建電場方向相同，增強了內建電場。空乏區變寬，多數載流子難以跨越P-N接面，幾乎沒有電流流過。
* **特性：** 只有極小的**逆向飽和電流 (Reverse Saturation Current)**流過（由少數載流子產生），二極體呈現高電阻狀態，如同「開關斷開」。
### 5.3 崩潰電壓 (Breakdown Voltage)
* **概念：** 在逆向偏壓下，當外部電壓增加到某個特定值時，逆向電流會突然急劇增加，即使電壓只輕微增加。這個電壓稱為**逆向崩潰電壓 (Reverse Breakdown Voltage)**。
* **原因：** 崩潰通常是由於**齊納崩潰 (Zener Breakdown)**或**雪崩崩潰 (Avalanche Breakdown)**引起。在正常應用中，應避免二極體進入崩潰區，因為這可能導致二極體永久性損壞（稽納二極體除外，它是專門設計工作在崩潰區的）。
## 總結
第一週的課程為二極體的學習奠定了基礎。我們了解了半導體的本質、如何透過摻雜形成P型和N型半導體，以及P-N接面和空乏區的形成原理。最重要的是，我們學習了二極體的單向導電特性，即順向偏壓下的導通和逆向偏壓下的截止，以及需要避免的逆向崩潰現象。這些基本概念是理解後續二極體電路分析與應用的關鍵。
## 課後習題
1. 請解釋導體、絕緣體和半導體在導電性上的主要區別。
2. N型半導體和P型半導體是如何形成的？它們的多數載流子分別是什麼？
3. 什麼是P-N接面中的「空乏區」？它是如何形成的？
4. 繪製二極體的電路符號，並標出陽極和陰極。
5. 請描述二極體在順向偏壓和逆向偏壓下的工作狀態，並說明電流流動的差異。