文档介绍：半导体工作原理
半导体技术对我们的社会具有巨大影响。您可以在微处理器芯片以及晶体管的核心部位发现半导体的身影。任何使用计算机或无线电波的产品也都依赖于半导体。
当前,大多数半导体芯片和晶体管都使用硅材料制造。您可能听说过“硅谷”和“硅经济”这样的说法,因为硅是所有电子设备的核心
二极管可能是最简单的半导体设备,因此,如果要了解半导体的工作原理,二极管是一个很好的起点。在本文中,您将了解到什么是半导体、其工作原理以及使用半导体制造二极管的过程。下面,让我们先来了解一下硅元素。
硅是一种很常见的元素——例如,它是砂子和石英的主要组成元素。如果在元素周期表中查找硅,您会发现它的位置在铝的旁边,碳的下方和锗的上方。
硅元素在周期表中位于铝的旁边和碳的下方
碳、硅和锗(锗和硅一样,也是半导体)的电子结构具有一种独特的性质——它们的最外层轨道上都有四个电子,这使它们能够形成很好的晶体。四个电子可与四个相邻的原子形成完美的共价键,从而产生晶格。我们都知道晶态构型的碳就是钻石,而硅的晶态构型是一种银色、具有金属外观的物质。
在硅的晶格中,所有硅原子都完美地与四个相邻原子形成作用键,
因此没有可用于传导电流的自由电子。所以硅晶体是一种绝缘体
而不是导体
金属通常是良好的导电体,因为它们一般都具有可以在原子间轻松运动的“自由电子”,而电子的流动便会形成电流。尽管硅晶体看上去很像金属,但是实际上它们不是金属。在硅晶体中,所有外层电子都形成了完美的共价键,因此这些电子不能到处运动。纯净的硅晶体几乎就是绝缘体——只能流过很小的电流。
但是可以通过对硅进行掺杂——在硅晶体中混入少量的杂质,来改变硅的这种特质,从而将其转变为一种导体。
可以混入两种类型的杂质:
N型——N型掺杂是在硅中添加少量的磷或***。磷和***的外层都有五个电子,因此它们在进入硅晶格时不会处在正确的位置上。第五个电子没有可供结合的键,因此可以自由地到处运动,只需很少的一点杂质就可以产生足够多的自由电子,从而让电流通过硅。 N型硅是一种良好的导体。电子具有负(Negative)电荷,因此称作N型硅。
P型——对于P型掺杂,则使用硼或镓作为掺杂剂。硼和镓都只有三个外层电子。在混入硅晶格后,它们在晶格中形成了“空穴”,在此处硅电子没有形成键。由于缺少一个电子,因此会产生正(Positive)电荷,故此称作P型硅。孔可以导电,空穴很容易吸引来自相邻原子的电子,从而使空穴在各原子之间移动。P型硅是一种良好的导体。
少量的N型或P型掺杂剂就可将硅晶体从良好的绝缘体转变为可导电(但不是很优秀)的导体——故此将其称作“半导体”。
N型硅和P型硅本身没有什么神奇之处,但是将它们放在一起之后,其结合部会具有某些很有趣的行为。
二极管可能是最简单的半导体设备,它只允许电流朝一个方向流动。您可能曾经见过体育场或地铁站入口处的十字转门,人们只能以一个方向通过它。二极管就好像是一个针对电子的单向十字转门。
如果将N型硅和P型硅放在一起(如图所示),会发生很有趣的现象,这是二极管独有的一种特性。
虽然N型和P型硅本身就是一种导体,但是当它们以如图方式组合在一起的时候却不会传导任何电流。N型硅中的负电子会被吸引到电池的正极,P型硅中带正电的孔则会被吸引到电池的负极,不会有任何电流