113 高普考高考二級 電子工程 電子元件 考古題詳解

核心觀念

蕭特基二極體（Schottky diode）是由金屬與半導體形成的整流接面所構成的二極體，主要利用金屬與半導體接面處的蕭特基能障來導電。它屬於多數載子元件，常見特性是正向壓降低、切換速度快。

解題方法

題目問兩個電極與半導體的接觸關係，關鍵在於區分蕭特基二極體的整流接觸與歐姆接觸：

• 蕭特基電極（整流電極）：金屬與半導體須形成整流接觸，產生蕭特基能障，使接面具有二極體的單向導電特性。

核心觀念

本題考查高效率發光二極體（LED）的基本結構，以及電子與電洞復合發光的位置。提高 LED 效率的關鍵之一，是將載子侷限在較窄的能隙材料區域，使電子與電洞集中復合，這個區域稱為主動區（active region）或發光區。

解題方法

可用雙異質接面（double heterostructure）LED 說明：以較寬能隙的包覆層夾住較窄能隙的主動層。正向偏壓時，電子由 n 型側注入，電洞由 p 型側注入；兩者被能障侷限在主動層中並復合，釋放能量形成光子。

核心觀念

HEMT 是「高電子遷移率電晶體」（High Electron Mobility Transistor），屬於異質接面場效電晶體。它利用不同半導體材料形成的異質接面，讓電子聚集在界面附近，形成高遷移率的二維電子氣（two-dimensional electron gas, 2DEG），作為源極與汲極之間的導電通道。

以常見的 AlGaN/GaN HEMT 為例，AlGaN 障壁層與 GaN 通道層之間的能帶差，以及氮化物材料的自發極化、壓電極化效應，使界面附近形成能帶彎曲與電子累積。電子主要侷限在 GaN 一側的界面附近，不需像傳統摻雜通道那樣依靠大量施體摻雜，因此可降低離化雜質散射，維持高電子遷移率。閘極電壓控制此通道中的電子濃度，進而調變汲極電流。

GaN 系列基本結構

以下為常見的 AlGaN/GaN HEMT 剖面示意。實際器件可有不同材料與層厚；圖中列出典型層次與電極。

 閘極 G
 │
 源極 S ▼ 汲極 D
 │ ┌────────┐ │
 └────────┤ ├───────────────┘
 │ GaN cap（選用）
 ├────────────────────────
 │ AlGaN 障壁層
 ├────────────────────────
 │ 2DEG 通道 →→→→→→→→
 │ GaN 通道層
 ├────────────────────────
 │ GaN 緩衝層
 ├────────────────────────
 │ 成核／過渡層（如 AlN）
 ├────────────────────────
 │ 基板（如 SiC、Si 或藍寶石）
 └────────────────────────

各層與電極功能

1. 基板：提供機械支撐與外延生長基礎。常用 SiC、Si 或藍寶石；SiC 導熱性佳，矽基板則有利於大尺寸與成本控制。

2. 成核／過渡層：常使用 AlN 或複合過渡層，協助在基板上成長 GaN，緩和晶格常數與熱膨脹係數不匹配所造成的缺陷及應力。

3. GaN 緩衝層：提供較高品質的外延材料，並降低通道向基板漏電；也有助於承受高汲極電壓。緩衝層的缺陷與電荷陷阱會影響漏電、電流崩塌與可靠度。

核心觀念

本題考查電晶體結構與「低功耗、高速操作」之間的關係。符合這兩項需求的代表性結構是異質接面雙極性電晶體（HBT，heterojunction bipolar transistor）。

HBT 在發射極與基極之間採用不同能隙的半導體材料，形成異質接面。此結構可提高發射極注入效率，讓電晶體在較低基極電流下仍能有效工作；同時，HBT 通常具有較高的載子傳輸速度與截止頻率，適合高速傳輸及高頻電路。

解題方法

先將題幹的兩個條件拆開判斷：

1. 省電：需要降低驅動電流或工作電壓，減少功率消耗。HBT 的異質接面可抑制基極載子反向注入，提升電流增益，因而能以較小的基極驅動電流控制集極電流。
2. 高速傳輸：需要縮短載子通過電晶體的時間，並降低寄生電容與延遲。HBT 可採用很薄的基極，讓載子快速穿越；異質材料的能帶設計也有利於載子注入與傳輸，因此能達到高截止頻率。

因此，能同時對應低功耗與高速特性的結構是 HBT。

選項分析

核心觀念

太陽能電池是受光照射的半導體接面元件，通常以 pn 接面為例說明。光子能量足夠時，會在半導體中產生電子—電洞對。接面空乏區的內建電場使電子與電洞分離，分別移向 n 區與 p 區，形成光生電流；外接負載後，光生電流即可對負載供電。

太陽能電池的電流可用受光二極體模型表示：

其中 $I_{\mathrm{ph}}$ 為光生電流，$I_0$ 為二極體反向飽和電流，$q$ 為電子電荷，$V$ 為端電壓，$n$ 為理想因子，$k$ 為波茲曼常數，$T$ 為絕對溫度。此式採用「電流輸出為正」的慣例；等價地，也常將太陽能電池視為光生電流源與二極體並聯。

解題方法：判斷工作區域

先看照光下的電流—電壓特性，再辨認開路與短路兩個端點：

• 短路狀態：$V=0$，電流約為短路電流 $I_{\mathrm{sc}}\approx I_{\mathrm{ph}}$。
• 開路狀態：$I=0$，端電壓為開路電壓 $V_{\mathrm{oc}}$，且

在 $0<V<V_{\mathrm{oc}}$ 的區間，太陽能電池能同時輸出正電壓與正電流，供電給外部負載。故以「電流輸出為正、端電壓為正」的座標慣例表示，其發電工作區域是第一象限，位於短路點與開路點之間，實際最大功率點則在此區域內。