正向偏壓

正向偏壓 (Forward Bias)
國立臺灣大學物理學系 簡裕峰

於半導體中，將外加電場施於特殊的兩極上，以達到控制電路的效果，這稱為偏壓 (bias)。在二極體 (diode) 的 p 型半導體端施加正電壓、n 型半導體端施加負電壓，此接法即為正向偏壓。

圖一、空乏區形成示意圖。（本文作者簡裕峰繪）

二極體的兩端分別為 p 型半導體與 n 型半導體。p 型的多數載子是電洞，因此在 p 型中電洞的濃度較高，而 n 型的多數載子是電子，因此在 n 型中電子的濃度較高。在不施加任何外加電壓的情況下，二極體中 pn 接面 (pn junction) 的兩側，會因電子電洞濃度差異的關係，產生擴散的現象，使得 p 中的電洞向 n 擴散而 n 中的電子向 p 擴散。每擴散一個電子與電洞，就會使 p 端與 n 端分別帶一個負電與正電、形成一個電場。當越來越多的電子與電洞擴散，此電場就會越強。然而此電場的方向與電子電洞擴散的方向相反、會阻礙電子電洞繼續擴散，使得電子電洞在擴散上會有一個距離極限，此距離極限的區域就稱為空乏區 (Depletion region)，如圖一。過了一段時間後，此電場的強度就會和電子電洞擴散的趨力達平衡。平衡時，這個電場會使得二極體內部內建一個小小的電位差，稱為內建電位 (Built-in potential)，若是鍺 (Ge) 二極體，此電位差約 0.3V，若是矽 (Si) 二極體，電位差約 0.7V。平衡時載子濃度的分佈情形見圖二。

圖二、載子濃度分布情形。（本文作者簡裕峰繪）

圖三、外加正向偏壓示意圖。（本文作者簡裕峰繪）

當我們將二極體接通並在二極體的 p 型半導體端施加正電壓、n 型半導體端施加負電壓時（如圖三），此外加的電壓，也就是正向偏壓，其電場方向與原先二極體內部因擴散產生的電場方向相反，正向偏壓的存在使電子電洞更難擴散，兩電場相抵銷的結果是空乏區減小。當正向偏壓大於內建電位時，空乏區完全消失，二極體內不再有因電子電洞擴散產生的電場，取而代之的是正向偏壓的電場，此時二極體導通，電路內的電子隨正向偏壓而流動。如圖四。

圖四、二極體導通示意圖。（本文作者簡裕峰繪）

二極體只有在外加正向偏壓下才會導通，若非外加正向偏壓，二極體就不導通、成了斷路，也因此當二極體接上交流電後會有整流的效果，因二極體只保留了某個方向的電流。在發光二極體中，施加正向偏壓使得電流流過 pn 接面時，電子電洞結合放出光。在實際電路中，二極體的內電阻很小，因此在外加正向偏壓而導通時，我們常將二極體視為零電阻、意即短路的意思，所以在電路中，二極體通常會串連一個電阻，否則若不小心外加太大的正向偏壓，二極體可是會燒壞的。

參考文獻

1. p-n junction — https://en.wikipedia.org/wiki/P–n_junction
2. pn 接面二極體的動作原理｜大華科技大學電機系。http://pub.tust.edu.tw/mechanic/mclab/public_html/_private/electronics/diode/junction.htm
3. Diode — https://en.wikipedia.org/wiki/Diode
4. Light-emitting diode — https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode
5. Neamen, D. A. (2009), Microelectronics Circuit Analysis and Design 4th Edition, McGraw-Hill Education