半導體原理

半導體(ti) 技術對我們(men) 的社會(hui) 具有巨大影響。您可以在微處理器芯片以及晶體(ti) 管的核心部位發現半導體(ti) 的身影。任何使用計算機或無線電波的產(chan) 品也都依賴於(yu) 半導體(ti) 。

當前，大多數半導體(ti) 芯片和晶體(ti) 管都使用矽材料製造。您可能聽說過“矽穀”和“矽經濟”這樣的說法，因為(wei) 矽是所有電子設備的核心。

從(cong) 上沿順時針方向：芯片、LED和晶體(ti) 管都由半導體(ti) 材料製成。

二極管可能是最簡單的半導體(ti) 設備，因此，如果要了解半導體(ti) 的工作原理，二極管是一個(ge) 很好的起點。在本文中，您將了解到什麽(me) 是半導體(ti) 、其工作原理以及使用半導體(ti) 製造二極管的過程。下麵，讓我們(men) 先來了解一下矽元素。

矽是一種很常見的元素——例如，它是砂子和石英的主要組成元素。如果在元素周期表中查找矽，您會(hui) 發現它的位置在鋁的旁邊，碳的下方和鍺的上方。

矽元素在周期表中位於(yu) 鋁的旁邊和碳的下方。

碳、矽和鍺（鍺和矽一樣，也是半導體(ti) ）的電子結構具有一種獨特的性質——它們(men) 的最外層軌道上都有四個(ge) 電子，這使它們(men) 能夠形成很好的晶體(ti) 。四個(ge) 電子可與(yu) 四個(ge) 相鄰的原子形成完美的共價(jia) 鍵，從(cong) 而產(chan) 生晶格。我們(men) 都知道晶態構型的碳就是鑽石，而矽的晶態構型是一種銀色、具有金屬外觀的物質。

­ 在矽的晶格中，所有矽原子都完美地與(yu) 四個(ge) 相鄰原子形成作用鍵，因此沒有可用於(yu) 傳(chuan) 導電流的自由電子。所以矽晶體(ti) 是一種絕緣體(ti) 而不是導體(ti) 。

金屬通常是良好的導電體(ti) ，因為(wei) 它們(men) 一般都具有可以在原子間輕鬆運動的“自由電子”，而電子的流動便會(hui) 形成電流。盡管矽晶體(ti) 看上去很像金屬，但是實際上它們(men) 不是金屬。在矽晶體(ti) 中，所有外層電子都形成了完美的共價(jia) 鍵，因此這些電子不能到處運動。純淨的矽晶體(ti) 幾乎就是絕緣體(ti) ——隻能流過很小的電流。

但是可以通過對矽進行摻雜——在矽晶體(ti) 中混入少量的雜質，來改變矽的這種特質，從(cong) 而將其轉變為(wei) 一種導體(ti) 。

可以混入兩(liang) 種類型的雜質：

• N型——N型摻雜是在矽中添加少量的磷或砷。磷和砷的外層都有五個電子，因此它們在進入矽晶格時不會處在正確的位置上。第五個電子沒有可供結合的鍵，因此可以自由地到處運動，隻需很少的一點雜質就可以產生足夠多的自由電子，從而讓電流通過矽。N型矽是一種良好的導體。電子具有負(Negative)電荷，因此稱作N型矽。
• P型——對於P型摻雜，則使用硼或镓作為摻雜劑。硼和镓都隻有三個外層電子。在混入矽晶格後，它們在晶格中形成了“空穴”，在此處矽電子沒有形成鍵。由於缺少一個電子，因此會產生正（Positive）電荷，故此稱作P型矽。孔可以導電，空穴很容易吸引來自相鄰原子的電子，從而使空穴在各原子之間移動。P型矽是一種良好的導體。
  

少量的N型或P型摻雜劑就可將矽晶體從良好的絕緣體轉變為可導電（但不是很優秀）的導體——故此將其稱作“半導體”。

N型矽和P型矽本身沒有什麽神奇之處，但是將它們放在一起之後，其結合部會具有某些很有趣的行為。

二極管可能是最簡單的半導體設備，它隻允許電流朝一個方向流動。您可能曾經見過體育場或地鐵站入口處的十字轉門，人們隻能以一個方向通過它。二極管就好像是一個針對電子的單向十字轉門。

如果將N型矽和P型矽放在一起（如圖所示），會(hui) 發生很有趣的現象，這是二極管獨有的一種特性。

雖然N型和P型矽本身就是一種導體(ti) ，但是當它們(men) 以如圖方式組合在一起的時候卻不會(hui) 傳(chuan) 導任何電流。N型矽中的負電子會(hui) 被吸引到電池的正極，P型矽中帶正電的孔則會(hui) 被吸引到電池的負極，不會(hui) 有任何電流流過結合部，因為(wei) 孔和電子的運動方向都是錯誤的。

如果將電池翻轉過來，二極管就可以很好地傳(chuan) 導電流了。N型矽中的自由電子受電池負極的排斥，P型矽中的孔則受正極的排斥。孔和電子在N型矽和P型矽的結合部相遇，電子會(hui) 填充在孔中，這些孔和自由電子便會(hui) 消失，並且會(hui) 有新的孔和新的自由電子出來接替它們(men) 的位置，這就會(hui) 在結合部形成電流。

二極管是在一個(ge) 方向上阻止電流通過而在另一個(ge) 方向上允許電流通過的裝置。二極管的使用方法有很多種。例如，使用電池的設備經常包含一個(ge) 二極管，在電池方向插反的時候對設備起到保護作用。如果方向插反，二極管可以阻止電流從(cong) 電池中流出——這樣可以保護設備中敏感的電子元器件。

半導體(ti) 二極管的表現並不是十分完美，如下圖所示：

在反向連接的時候，理想的二極管應該阻止所有電流。而實際上二極管允許10毫安的電流通過——這並不是很多，但是仍然不夠完美。而且，如果施加足夠的反向電壓（V），結合部將被擊穿並允許電流通過。通常，擊穿電壓遠遠大於(yu) 正常電壓，因此這一點並不算什麽(me) 問題。

當正向連接時，隻需要很小的電壓就可以使二極管導通。對於(yu) 矽，這個(ge) 電壓大約為(wei) 0.7伏，此電壓是在結合部開始空穴-電子結合過程所必需的。

與(yu) 二極管中使用兩(liang) 層結構不同，晶體(ti) 管包含三層結構。可以創建NPN型或PNP型的夾層結構，晶體(ti) 管可作為(wei) 開關(guan) 或放大器使用。

晶體(ti) 管看上去像是兩(liang) 個(ge) 二極管背靠背布置在一起。您可能會(hui) 想，沒有電流能夠流過晶體(ti) 管，因為(wei) 背靠背布置的二極管在兩(liang) 個(ge) 方向上都會(hui) 阻止電流通過，而事實也的確如此。不過，如果對夾層結構的中間層施加一個(ge) 小電流，則會(hui) 有一個(ge) 更大的電流流過整個(ge) 夾層結構。這使得晶體(ti) 管具有了開關(guan) 行為(wei) ，一個(ge) 小電流能夠開啟或關(guan) 閉一個(ge) 大電流。

矽芯片是一個(ge) 矽片，能夠容納數千個(ge) 晶體(ti) 管。通過將晶體(ti) 管用作開關(guan) ，可以製造出邏輯門電路，而通過邏輯門，可以製造出微處理器芯片。

從(cong) 矽、摻雜矽到晶體(ti) 管再到芯片這一自然發展過程，便是當今社會(hui) 微處理器和其他電子設備如此廉價(jia) 和普遍的原因所在。其基本原理是如此地簡單，而奇跡來自於(yu) 對這些原理的持續深入探究，直至今日，數千萬(wan) 個(ge) 晶體(ti) 管可以集成在一塊芯片上，而且價(jia) 格很便宜。