2023-08-04|閱讀時間 ‧ 約 3 分鐘

文組也好懂的半導體 - (6)把P型與N型半導體接起來會變成甚麼?

很不幸的,每一個學問都有一些比較煩人一點的部分,但寫到第六篇也不好意思避重就輕,今天就來看看一個P型黏一個N型半導體,會發生甚麼樣子的奇蹟。從這篇,我們也進入更物理的世界,一方面更討厭、一方面也開始更好玩!

http://www.tabf.org.tw/FBS/Doc/Preview/95336.pdf

http://www.tabf.org.tw/FBS/Doc/Preview/95336.pdf

在原本N型半導體自己一個人的時候有很多自由電子,但自己本身是電中性的(就是電子跟質子數量一樣多,所以整體看起來不帶電的意思),而P型半導體則有很多電洞(好像沒人會說"自由電洞",畢竟電洞不曾不自由過)

可當這兩個人黏在一起之後出現了變化,我們要知道這世界上有種自然現象叫做擴散,也就是任何一種自由的粒子會從濃度高的環境飄向濃度低的環境。像是今天有人放屁,那臭味粒子就會從放屁人為中心擴散,所以隔壁的人就會聞到,而一段時間之後由於擴散的太遠,每個地方的臭味粒子剩餘太少而沒人會聞到

當P型N型半導體相黏時,一個有很多自由電子、另一個有很多電洞,這兩種自由粒子都會往對方擴散,而當電子跑去P型時自然會跟電洞結合,畢竟就掉進坑裡了就被綁住了。然後這件事一直發生,兩邊的自由電子跟電洞就會都消失....才怪沒這麼誇張,不過的確會有一部分的P型電洞都被填滿,也有一部分N型自由電子都跑光,這的區塊我們稱為空乏區(載子不見,所以很空,就叫空乏)

那為啥米是一部份的區域變成空乏區,而不是整塊都空乏? 因為當電子跑去P型,那本來電中性的P型就會帶負電(不要忘了世界有很多不自由的電子)。反之,電洞跑去N型,N型就帶正電。這就會產生一個電場去排斥電子在跑去P型、電洞跑去N型

https://ithelp.ithome.com.tw/m/articles/10311839

上圖就是裡面的帶電量(Q,charge那張)、電場(E、Electric field那張)、電壓(V,Voltage那張),用英文版的順便學英文啦~

這裡順便複習一下,有電場就會產生電壓的差別

V = E ∙ x​

當然,上面是在電場都均勻的狀態才能不負責任這樣寫,我們要加點微積分來處理不均勻電場,也就是把每個點的電場都積分起來...不過大家最討厭數學,這裡就不提了

總之,因為電場產生的內部電壓差,我們就稱為內建電壓(Vbi, built-in voltage),也就是這個內建電壓/內建電場阻止了擴散的力量,可以很直覺的說,在穩定的狀態底下: 內建電場推力 = 擴散力

這裡就先不把這現實寫成公式,不過當N或P的電子/電洞濃度一定會影響內建電場的,這就先賣個關子,反正我們只想聽故事搞懂半導體,不是來算數學的:P

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