1、半导体工作原理
半导体技术对我们得社会具有巨大影响。您可以在微处理器芯片以及晶体管得核心部位发现半导体得身影。任何使用计算机或无线电波得产品也都依赖于半导体。
当前,大多数半导体芯片与晶体管都使用硅材料制造。您可能听说过“硅谷"与“硅经济”这样得说法,因为硅就是所有电子设备得核心
二极管可能就是最简单得半导体设备,因此,如果要了解半导体得工作原理,二极管就是一个很好得起点。在本文中,您将了解到什么就是半导体、其工作原理以及使用半导体制造二极管得过程。下面,让我们先来了解一下硅元素。
硅就是一种很常见得元素——例如,它就是砂子与石英得主要组成元素。如果
2、在元素周期表中查找硅,您会发现它得位置在铝得旁边,碳得下方与锗得上方。
硅元素在周期表中位于铝得旁边与碳得下方
碳、硅与锗(锗与硅一样,也就是半导体)得电子结构具有一种独特得性质——它们得最外层轨道上都有四个电子,这使它们能够形成很好得晶体。四个电子可与四个相邻得原子形成完美得共价键,从而产生晶格、我们都知道晶态构型得碳就就是钻石,而硅得晶态构型就是一种银色、具有金属外观得物质。
在硅得晶格中,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得自由电子。所以硅晶体就是一种绝缘体
而不就是导体
金属通常就是良好得导电体,因为它们一般都具有可
3、以在原子间轻松运动得“自由电子”,而电子得流动便会形成电流。尽管硅晶体瞧上去很像金属,但就是实际上它们不就是金属。在硅晶体中,所有外层电子都形成了完美得共价键,因此这些电子不能到处运动。纯净得硅晶体几乎就就是绝缘体——只能流过很小得电流。
但就是可以通过对硅进行掺杂——在硅晶体中混入少量得杂质,来改变硅得这种特质,从而将其转变为一种导体。
可以混入两种类型得杂质:
N型-—Ｎ型掺杂就是在硅中添加少量得磷或砷。磷与砷得外层都有五个电子,因此它们在进入硅晶格时不会处在正确得位置上、第五个电子没有可供结合得键,因此可以自由地到处运动,只需很少得一点杂质就可以产生足够多得自
4、由电子,从而让电流通过硅、 N型硅就是一种良好得导体。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、硼与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得电子,从而使空穴在各原子之间移动、P型硅就是一种良好得导体、
少量得N型或Ｐ型掺杂剂就可将硅晶体从良好得绝缘体转变为可导电(但不就是很优秀)得导体——故此将其称作“半导体”。
N型硅与P型硅本身没有什
5、么神奇之处,但就是将它们放在一起之后,其结合部会具有某些很有趣得行为。
二极管可能就是最简单得半导体设备,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得十字转门,人们只能以一个方向通过它、二极管就好像就是一个针对电子得单向十字转门。
如果将Ｎ型硅与P型硅放在一起(如图所示),会发生很有趣得现象,这就是二极管独有得一种特性。
虽然N型与Ｐ型硅本身就就是一种导体,但就是当它们以如图方式组合在一起得时候却不会传导任何电流、N型硅中得负电子会被吸引到电池得正极,P型硅中带正电得孔则会被吸引到电池得负极,不会有任何电流流过结合部,因为孔与电子得运动方
6、向都就是错误得。
如果将电池翻转过来,二极管就可以很好地传导电流了、N型硅中得自由电子受电池负极得排斥,Ｐ型硅中得孔则受正极得排斥。孔与电子在N型硅与Ｐ型硅得结合部相遇,电子会填充在孔中,这些孔与自由电子便会消失,并且会有新得孔与新得自由电子出来接替它们得位置,这就会在结合部形成电流。
二极管就是在一个方向上阻止电流通过而在另一个方向上允许电流通过得装置。二极管得使用方法有很多种、例如,使用电池得设备经常包含一个二极管,在电池方向插反得时候对设备起到保护作用、如果方向插反,二极管可以阻止电流从电池中流出——这样可以保护设备中敏感得电子元器件。
半导体二极管得表现
7、并不就是十分完美,如下图所示:
在反向连接得时候,理想得二极管应该阻止所有电流。而实际上二极管允许１0毫安得电流通过-—这并不就是很多,但就是仍然不够完美、而且,如果施加足够得反向电压(V),结合部将被击穿并允许电流通过、通常,击穿电压远远大于正常电压,因此这一点并不算什么问题、
当正向连接时,只需要很小得电压就可以使二极管导通。对于硅,这个电压大约为0.７伏,此电压就是在结合部开始空穴－电子结合过程所必需得。
与二极管中使用两层结构不同,晶体管包含三层结构、可以创建NPＮ型或PNＰ型得夹层结构,晶体管可作为开关或放大器使用。
晶体管瞧上去像就是
8、两个二极管背靠背布置在一起、您可能会想,没有电流能够流过晶体管,因为背靠背布置得二极管在两个方向上都会阻止电流通过,而事实也得确如此。不过,如果对夹层结构得中间层施加一个小电流,则会有一个更大得电流流过整个夹层结构。这使得晶体管具有了开关行为,一个小电流能够开启或关闭一个大电流。
硅芯片就是一个硅片,能够容纳数千个晶体管。通过将晶体管用作开关,可以制造出逻辑门电路,而通过逻辑门,可以制造出微处理器芯片。
从硅、掺杂硅到晶体管再到芯片这一自然发展过程,便就是当今社会微处理器与其她电子设备如此廉价与普遍得原因所在。其基本原理就是如此地简单,而奇迹来自于对这些原理得持续深入探究,直至今日,数千万个晶体管可以集成在一块芯片上,而且价格很便宜。
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