從半導體材料看晶體管和二極管

半導體對我們的社會產生了巨大的影響，在許多電子產品中，半導體是芯片和晶體管的核心?，F如今，大多數半導體芯片和晶體管都是用硅制成的。

二極管是最簡單的半導體器件，在本文中，我們將了解什么是半導體、摻雜的工作原理以及如何使用半導體制造二極管。但首先，讓我們仔細看看硅。硅是一種非常常見的元素，是沙子和石英中的主要元素。如果在元素周期表中查找“硅”，會發現它位于鋁旁邊，低于碳，高于鍺。

*在元素周期表中，硅位于鋁旁邊，低于碳。

碳、硅和鍺（鍺與硅一樣，也是一種半導體）在它們的電子結構中具有獨特的性質，每一種在其最外層都有四個電子。四個電子與四個相鄰原子形成完美的共價鍵，形成一個晶格。在碳中，我們知道結晶形式為金剛石。在硅中，結晶形式是一種銀色的、金屬外觀的物質。

*在硅晶格中，所有硅原子都與四個相鄰原子完美結合，不會留下自由電子來傳導電流。這使得硅晶體成為絕緣體而不是導體。

金屬往往是良好的電導體，因為它們通常具有可以在原子之間輕松移動的“自由電子”，而電涉及電子的流動。雖然硅晶體看起來是金屬的，但實際上它不是金屬。硅晶體中的所有外層電子都參與了完美的共價鍵，因此它們不能四處移動。所以，純硅晶體幾乎是絕緣體，很少有電流流過它。

但是我們可以通過一個叫做“摻雜”的過程來改變這一切。

一、摻雜硅

我們可以通過摻雜改變硅的行為并將其變成導體。在摻雜過程中，將少量雜質混入硅晶體中。

有兩種類型的雜質：

N型：在N型摻雜中，將少量磷或砷添加到硅中。磷和砷各有五個外層電子，所以當它們進入硅晶格時，它們的導電性就會發生變化。第五個電子沒有什么可以結合的，所以它可以自由移動。我們只需要摻雜非常少量的雜質就可以產生足夠的自由電子，讓電流流過硅。N型硅是良導體，電子帶負電荷，因此命名為N型。

P型：在P型摻雜中，硼或鎵是摻雜劑。硼和鎵各自只有三個外層電子。當它們混合到硅晶格中時，它們會在晶格中形成“空穴”，硅電子無法與之鍵合。沒有電子會產生正電荷的影響，因此稱為P型?？昭梢詡鲗щ娏?，一個空穴很容易接受來自鄰居的電子，從而將空穴移動到一個空間上。P型硅是良導體。

少量的N型或P型摻雜將硅晶體從良好的絕緣體轉變為可行的（但不是很好的）導體——因此得名“半導體”。

N型和P型硅本身并沒有那么神奇，但是當你把它們放在一起時，你會在交界處得到一些非常有趣的行為，這就是二極管中發生的事情。

二極管是最簡單的半導體器件，二極管允許電流沿一個方向流動，但不能沿另一個方向流動，我們可以將二極管看做是電子的單向閘門。

如圖所示*，當你將N型和P型硅放在一起時，你會得到一個非常有趣的現象，它賦予了二極管獨特的特性。

盡管N型硅本身是導體，P型硅本身也是導體，但圖中所示的組合不導電。N型硅中的負電子被電池的正極吸引。P型硅中的正極孔被吸引到電池的負極端子上。沒有電流流過結，因為空穴和電子各自朝錯誤的方向移動。

如果你翻轉電池，二極管導電就能通過。N型硅中的自由電子被電池的負極排斥。P型硅中的空穴被正極排斥。在N型和P型硅之間的結處，空穴和自由電子相遇。電子填充空穴。那些空穴和自由電子不復存在，新的空穴和電子涌現出來取而代之。結果就是電流能流過結。

二、二極管和晶體管

1.二極管

阻止一個方向上的電流同時讓另一個方向上的電流流動的器件稱為二極管。二極管可以以多種方式使用，例如，使用電池的設備通常包含一個二極管，如果你相反放入電池，該二極管會保護設備。相應的，如果線路接反了，二極管只會阻止任何電流離開電池，這可以保護設備中的敏感電子設備。

當反向偏置時，理想二極管會阻斷所有電流。一個真正的二極管可能允許10微安通過，這不是很多，但仍然不完美。如果施加足夠的反向電壓(V)，結會擊穿并讓電流通過。通常，擊穿電壓比電路所看到的電壓要高得多，因此無關緊要。

正向偏置時，需要少量電壓才能使二極管工作。在硅中，這個電壓約為0.7伏。需要該電壓來啟動結處的空穴與電子結合過程。

2.晶體管

與二極管相關的另一項具有里程碑意義的技術是晶體管，晶體管和二極管有很多共同點。通過使用三層“夾層”，即NPN或PNP，晶體管可以充當開關或放大器。

晶體管看起來像兩個背靠背的二極管。我們可以想象出，這種情況下沒有電流可以流過晶體管，因為背靠背二極管會雙向阻斷電流。但是，當你向夾層的中心層施加小電流時，更大的電流可以流過整個夾層。這使晶體管具有其開關行為，即小電流可以打開和關閉較大的電流。

硅芯片是一塊可以容納數千個晶體管的硅片。使用晶體管作為開關，我們可以創建布爾門，使用布爾門，甚至自己可以制作一個微處理器芯片。

從硅到摻雜硅，從晶體管再到芯片，科技的發展使得微處理器和其他電子設備在當今社會變得廉價和無處不在，但其基本原理卻出奇地簡單。

以上就是英銳恩單片機開發工程師分享的“從半導體材料看晶體管和二極管”。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發，提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。