半导体工作原理

1、半导体工作原理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

2、的旁边，碳的下方和锗的上方。它们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 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

3、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。因此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砷。磷和砷的外层都有五个电子， 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

4、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

5、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，不会有任何电流流过结合部，因为孔和电子的运动方向都是错误的。N 型硅中的自由电子受电如果将电池翻转过来，二极管就可以很好地传导电流了。池负极的排斥， P型硅中的孔则受正极的排斥。孔和电子在 N型硅和 P型硅的结合部

6、相遇，电子会填充在孔中，这些孔和自由电子便会消失，并且会有新的孔和新的自由电子 出来接替它们的位置，这就会在结合部形成电流。二极管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的装置。管的使用方法有很多种。例如，使用电池的设备经常包含一个二极管，在电池方向插反 的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 样可以保护设备中敏感的电子元器件。半导体二极管的表现并不是十分完美，如下图所示：10 毫安在反向连接的时候，理想的二极管应该阻止所有电流。而实际上二极管允许 的电流通过这并不是很多， 但是仍然不够完美。而且，如果施加足够的反向电压 （V）， 结合部将被击穿并

7、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，只需要很小的电压就可以使二极管导通。对于硅，这个电压大约为0.7 伏，此电压是在结合部开始空穴 -电子结合过程所必需的。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 的夹层结构，晶体管可作为开关或放大器使用晶体管看上去像是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，因为背靠背布置的二极管在两个方向上都会阻止电流通过，而事实也的确如此。不过，如果对夹层结构的中间层施加一个小电流，则会有一个更大的电流流过整个夹层 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