半導(dǎo)體原理

半導(dǎo)體技術(shù)對我們的社會具有巨大影響。您可以在微處理器芯片以及晶體管的核心部位發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的身影。任何使用計(jì)算機(jī)或無線電波的產(chǎn)品也都依賴于半導(dǎo)體。

當(dāng)前，大多數(shù)半導(dǎo)體芯片和晶體管都使用硅材料制造。您可能聽說過“硅谷”和“硅經(jīng)濟(jì)”這樣的說法，因?yàn)楣枋撬?a target="_blank">電子設(shè)備的核心。

從上沿順時(shí)針方向：芯片、LED和晶體管都由半導(dǎo)體材料制成。

二極管可能是最簡單的半導(dǎo)體設(shè)備，因此，如果要了解半導(dǎo)體的工作原理，二極管是一個(gè)很好的起點(diǎn)。在本文中，您將了解到什么是半導(dǎo)體、其工作原理以及使用半導(dǎo)體制造二極管的過程。下面，讓我們先來了解一下硅元素。

硅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硅，您會發(fā)現(xiàn)它的位置在鋁的旁邊，碳的下方和鍺的上方。

硅元素在周期表中位于鋁的旁邊和碳的下方。

碳、硅和鍺（鍺和硅一樣，也是半導(dǎo)體）的電子結(jié)構(gòu)具有一種獨(dú)特的性質(zhì)——它們的最外層軌道上都有四個(gè)電子，這使它們能夠形成很好的晶體。四個(gè)電子可與四個(gè)相鄰的原子形成完美的共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生晶格。我們都知道晶態(tài)構(gòu)型的碳就是鉆石，而硅的晶態(tài)構(gòu)型是一種銀色、具有金屬外觀的物質(zhì)。

- 在硅的晶格中，所有硅原子都完美地與四個(gè)相鄰原子形成作用鍵，因此沒有可用于傳導(dǎo)電流的自由電子。所以硅晶體是一種絕緣體而不是導(dǎo)體。

金屬通常是良好的導(dǎo)電體，因?yàn)樗鼈円话愣季哂锌梢栽谠娱g輕松運(yùn)動的“自由電子”，而電子的流動便會形成電流。盡管硅晶體看上去很像金屬，但是實(shí)際上它們不是金屬。在硅晶體中，所有外層電子都形成了完美的共價(jià)鍵，因此這些電子不能到處運(yùn)動。純凈的硅晶體幾乎就是絕緣體——只能流過很小的電流。

但是可以通過對硅進(jìn)行摻雜——在硅晶體中混入少量的雜質(zhì)，來改變硅的這種特質(zhì)，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N導(dǎo)體。

可以混入兩種類型的雜質(zhì)：

• N型——N型摻雜是在硅中添加少量的磷或砷。磷和砷的外層都有五個(gè)電子，因此它們在進(jìn)入硅晶格時(shí)不會處在正確的位置上。第五個(gè)電子沒有可供結(jié)合的鍵，因此可以自由地到處運(yùn)動，只需很少的一點(diǎn)雜質(zhì)就可以產(chǎn)生足夠多的自由電子，從而讓電流通過硅。N型硅是一種良好的導(dǎo)體。電子具有負(fù)(Negative)電荷，因此稱作N型硅。
• P型——對于P型摻雜，則使用硼或鎵作為摻雜劑。硼和鎵都只有三個(gè)外層電子。在混入硅晶格后，它們在晶格中形成了“空穴”，在此處硅電子沒有形成鍵。由于缺少一個(gè)電子，因此會產(chǎn)生正（Positive）電荷，故此稱作P型硅。孔可以導(dǎo)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型硅是一種良好的導(dǎo)體。
  

少量的N型或P型摻雜劑就可將硅晶體從良好的絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓪?dǎo)電（但不是很優(yōu)秀）的導(dǎo)體——故此將其稱作“半導(dǎo)體”。

N型硅和P型硅本身沒有什么神奇之處，但是將它們放在一起之后，其結(jié)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(dǎo)體設(shè)備，它只允許電流朝一個(gè)方向流動。您可能曾經(jīng)見過體育場或地鐵站入口處的十字轉(zhuǎn)門，人們只能以一個(gè)方向通過它。二極管就好像是一個(gè)針對電子的單向十字轉(zhuǎn)門。

如果將N型硅和P型硅放在一起（如圖所示），會發(fā)生很有趣的現(xiàn)象，這是二極管獨(dú)有的一種特性。

雖然N型和P型硅本身就是一種導(dǎo)體，但是當(dāng)它們以如圖方式組合在一起的時(shí)候卻不會傳導(dǎo)任何電流。N型硅中的負(fù)電子會被吸引到電池的正極，P型硅中帶正電的孔則會被吸引到電池的負(fù)極，不會有任何電流流過結(jié)合部，因?yàn)榭缀碗娮拥倪\(yùn)動方向都是錯(cuò)誤的。

如果將電池翻轉(zhuǎn)過來，二極管就可以很好地傳導(dǎo)電流了。N型硅中的自由電子受電池負(fù)極的排斥，P型硅中的孔則受正極的排斥。孔和電子在N型硅和P型硅的結(jié)合部相遇，電子會填充在孔中，這些孔和自由電子便會消失，并且會有新的孔和新的自由電子出來接替它們的位置，這就會在結(jié)合部形成電流。

二極管是在一個(gè)方向上阻止電流通過而在另一個(gè)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(shè)備經(jīng)常包含一個(gè)二極管，在電池方向插反的時(shí)候?qū)υO(shè)備起到保護(hù)作用。如果方向插反，二極管可以阻止電流從電池中流出——這樣可以保護(hù)設(shè)備中敏感的電子元器件。

半導(dǎo)體二極管的表現(xiàn)并不是十分完美，如下圖所示：

在反向連接的時(shí)候，理想的二極管應(yīng)該阻止所有電流。而實(shí)際上二極管允許10毫安的電流通過——這并不是很多，但是仍然不夠完美。而且，如果施加足夠的反向電壓（V），結(jié)合部將被擊穿并允許電流通過。通常，擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常電壓，因此這一點(diǎn)并不算什么問題。

當(dāng)正向連接時(shí)，只需要很小的電壓就可以使二極管導(dǎo)通。對于硅，這個(gè)電壓大約為0.7伏，此電壓是在結(jié)合部開始空穴-電子結(jié)合過程所必需的。

與二極管中使用兩層結(jié)構(gòu)不同，晶體管包含三層結(jié)構(gòu)。可以創(chuàng)建NPN型或PNP型的夾層結(jié)構(gòu)，晶體管可作為開關(guān)或放大器使用。

晶體管看上去像是兩個(gè)二極管背靠背布置在一起。您可能會想，沒有電流能夠流過晶體管，因?yàn)楸晨勘巢贾玫亩O管在兩個(gè)方向上都會阻止電流通過，而事實(shí)也的確如此。不過，如果對夾層結(jié)構(gòu)的中間層施加一個(gè)小電流，則會有一個(gè)更大的電流流過整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)。這使得晶體管具有了開關(guān)行為，一個(gè)小電流能夠開啟或關(guān)閉一個(gè)大電流。

硅芯片是一個(gè)硅片，能夠容納數(shù)千個(gè)晶體管。通過將晶體管用作開關(guān)，可以制造出邏輯門電路，而通過邏輯門，可以制造出微處理器芯片。

從硅、摻雜硅到晶體管再到芯片這一自然發(fā)展過程，便是當(dāng)今社會微處理器和其他電子設(shè)備如此廉價(jià)和普遍的原因所在。其基本原理是如此地簡單，而奇跡來自于對這些原理的持續(xù)深入探究，直至今日，數(shù)千萬個(gè)晶體管可以集成在一塊芯片上，而且價(jià)格很便宜。