半導體原理

半導體技術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現半導體的身影。任何使用計算機或無線電波的產品也都依賴于半導體。

當前，大多數半導體芯片和晶體管都使用硅材料制造。您可能聽說過“硅谷”和“硅經濟”這樣的說法，因為硅是所有電子設備的核心。

從上沿順時針方向：芯片、LED和晶體管都由半導體材料制成。

二極管可能是最簡單的半導體設備，因此，如果要了解半導體的工作原理，二極管是一個很好的起點。在本文中，您將了解到什么是半導體、其工作原理以及使用半導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，您會發現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，也是半導體）的電子結構具有一種獨特的性質——它們的最外層軌道上都有四個電子，這使它們能夠形成很好的晶體。四個電子可與四個相鄰的原子形成完美的共價鍵，從而產生晶格。我們都知道晶態構型的碳就是鉆石，而硅的晶態構型是一種銀色、具有金屬外觀的物質。

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

金屬通常是良好的導電體，因為它們一般都具有可以在原子間輕松運動的“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鍵，因此這些電子不能到處運動。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行摻雜——在硅晶體中混入少量的雜質，來改變硅的這種特質，從而將其轉變為一種導體。

可以混入兩種類型的雜質：

• 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電子，因此它們在進入硅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，只需很少的一點雜質就可以產生足夠多的自由電子，從而讓電流通過硅。N型硅是一種良好的導體。電子具有負(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。由于缺少一個電子，因此會產生正（Positive）電荷，故此稱作P型硅。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型硅是一種良好的導體。
  

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，它只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，人們只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型硅和P型硅放在一起（如圖所示），會發生很有趣的現象，這是二極管獨有的一種特性。

雖然N型和P型硅本身就是一種導體，但是當它們以如圖方式組合在一起的時候卻不會傳導任何電流。N型硅中的負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極，不會有任何電流流過結合部，因為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導電流了。N型硅中的自由電子受電池負極的排斥，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，這就會在結合部形成電流。

二極管是在一個方向上阻止電流通過而在另一個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。

半導體二極管的表現并不是十分完美，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），結合部將被擊穿并允許電流通過。通常，擊穿電壓遠遠大于正常電壓，因此這一點并不算什么問題。

當正向連接時，只需要很小的電壓就可以使二極管導通。對于硅，這個電壓大約為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。

與二極管中使用兩層結構不同，晶體管包含三層結構。可以創建NPN型或PNP型的夾層結構，晶體管可作為開關或放大器使用。

晶體管看上去像是兩個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，因為背靠背布置的二極管在兩個方向上都會阻止電流通過，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小電流，則會有一個更大的電流流過整個夾層結構。這使得晶體管具有了開關行為，一個小電流能夠開啟或關閉一個大電流。

硅芯片是一個硅片，能夠容納數千個晶體管。通過將晶體管用作開關，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展過程，便是當今社會微處理器和其他電子設備如此廉價和普遍的原因所在。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深入探究，直至今日，數千萬個晶體管可以集成在一塊芯片上，而且價格很便宜。