關于半導體的工作原理,。

1.從半導體說起

固體按照導電性能可以分三種：導體，絕緣體和半導體,。導體和絕緣體在日常生活中很常見,，半導體在電子元器件方面舉足輕重。他們的區(qū)別在哪里,？我們知道物質(zhì)能不能導電取決于其中的導電介質(zhì)能否自由移動,，而這取決于物質(zhì)的原子之間的結(jié)合方式。一般原子最外層的電子決定了原子間的組合方式,。

能量帶理論可以解釋三種不同導電介質(zhì)的差異,。能量帶理論表示,，自由電子由于不受原子核的束縛，能量很高,，它所處的能量范圍叫做導帶(Conduction Band),；最外層電子被束縛在原子核或者分子周圍，能量相較于自由電子更低,，它所處的能量范圍叫做價帶(Valence Band),。如果最外層電子要成為自由電子，需要給它加點能量,。下面的圖表示了三種物質(zhì)的導帶和價帶的分布,。

可以看到導體的導帶和價帶幾乎重合，所以最外層電子就是自由電子,；絕緣體的兩帶之間的間隙較大,，需要很高的能量才能激發(fā)最外層電子，脫離原子核或分子的束縛成為自由電子,；半導體的價帶和導帶之間的間隙較小,，在一定的溫度下，價電子就能激發(fā)成為自由電子,。不過半導體內(nèi)自由電子數(shù)一般少于導體,，因此它的導電性能介于導體和絕緣體之間。

至于三種固體的導帶和價帶之間為什么是這樣的分布關系,，主要原因在于固體內(nèi)部原子之間的結(jié)合方式以及結(jié)合緊密程度不同,。金屬導體靠金屬鍵連接原子，半導體和絕緣體的原子一般通過共價鍵連接彼此,。

2.半導體的特性

如之前所說,，半導體的價帶和導帶的間隙并不大，價電子很容易被激發(fā)成為自由電子,。實際上在室溫下,，就有一部分電子被激發(fā),，半導體已經(jīng)具有一定的導電能力,。半導體的這種能帶分布特點來源于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)。人們發(fā)現(xiàn),，最外層有四個價電子的一族元素(C, Si, Ge等)能形成如下的晶體結(jié)構(gòu),，這種結(jié)構(gòu)賦予半導體特殊的導電特性(C除外，金剛石的價帶和導帶的能量差較大),。

拿硅元素來說,，它的原子最外層有4個電子，叫做價電子,。我們知道一個電子層需要湊夠8個電子(最內(nèi)層2個)才能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),，所以這4個電子要和周圍的4個硅原子的4個價電子共享,，形成4個共價鍵，將硅原子連接起來,，形成晶體結(jié)構(gòu),。

3.半導體的改造——PN結(jié)

可能你會想，半導體導電不如導體,，說絕緣呢又不行,，啥也不是。這個半吊子有啥用,？純的半導體確實不好用,，不過正是因為它中庸的特性，使得人們對它的改造成為了可能,。

先來看硅晶體的原子間結(jié)構(gòu),。如果表示在平面上，可以看到硅原子的4個價電子會和相鄰的硅原子的價電子配對,，形成4個共價鍵,。這四個共價鍵相對穩(wěn)定，但是施加一定的能量也能讓一些價電子激發(fā)成為自由電子,。電子被擊發(fā)后,，在電子原來所處的位置上形成一個正電荷，稱為空穴(Hole),。通常情況下,，這種激發(fā)比例較小。

為了讓半導體有用,，人們使用摻雜(Doping)改變半導體的特性,。所謂摻雜，就是將雜質(zhì)物質(zhì)融入到硅晶結(jié)構(gòu)中,，改變晶體結(jié)構(gòu),。有兩種常用的摻雜方式: N型摻雜(N-type Doping)和P型摻雜(P-type Doping)。

如果將最外層有5個價電子的元素(比如磷P)混入硅晶中,，因為硅原子能和其中的4個電子配對形成4個共價鍵,，剩余的一個電子由于沒有配對成為一個自由電子，可以在晶體內(nèi)部移動,。因為這種摻雜使得半導體內(nèi)部有很多自由移動的電子,，所以叫做N型摻雜(Negative)。

如果用最外層有3個價電子的元素(如硼B(yǎng))混入硅晶中,，由于缺少一個電子與硅原子配對,，使得一個位置上出現(xiàn)一個電子的“空缺”(硅原子的電子被束縛在硅原子上，無法像磷元素的最外層電子那樣容易自由漂移)，形成一個空穴,。因為摻雜之后半導體內(nèi)部出現(xiàn)帶很多帶正電荷的空穴,，所以這種摻雜叫做P型摻雜(Positive)。

這兩種摻雜都會提升半導體的導電能力,。N型摻雜形成N型半導體,，多數(shù)載流子是自由電子；P型摻雜形成P型半導體,，多數(shù)載流子是空穴,。

如果我們將P型半導體和N型半導體連接在一起，會產(chǎn)生一個有意思的東西——PN結(jié)(PN Junction),。因為N型半導體內(nèi)充滿有帶負電荷的自由電子,，P型半導體內(nèi)有帶正電荷的空穴，所以在兩者接觸的區(qū)域內(nèi),，N型半導體內(nèi)的電子會移動到P型半導體內(nèi)與空穴結(jié)合,。但是這種結(jié)合是有限度的：隨著電子從N到P的遷移，兩側(cè)會形成如下圖所示的電荷累積,，電勢方向從右到左,，阻止電子的繼續(xù)遷移。這個區(qū)域叫做耗盡層(Depletion Layer),，也叫空間電荷區(qū),；累積起來的內(nèi)電場電壓叫做死區(qū)電壓(Barrier Voltage。對硅來說死區(qū)電壓一般為0.6~0.7V),。

4.PN結(jié)的偏置和二極管

可能你還是想問,，說了這么多到底有什么用？

我們來看將PN結(jié)接入電路,，會有下面的兩種接法,。電源正極接P端，負極接N端,，稱為正向偏置(Forward Biased),；電源負極接P端，正極接N端,，稱為反向偏置(Reverse Biased),。

正向偏置的PN結(jié)，電源負極排斥N型半導體中的電子,，驅(qū)趕電子往P型半導體中遷移,；電源正極接P型半導體,，使得P型半導體中的電子被抽走,。這樣就形成了一個電子推送和抽離的良性循環(huán)，電路導通,。因為外電場方向和內(nèi)電場相反,，如果外電場電壓高于死區(qū)電壓,，電路就能導通。

而反向偏置的PN結(jié),，電源正極從N型半導體內(nèi)吸收電子,，但是N型半導體內(nèi)的電子又不能從P型半導體中得到補充，所以電路無法導通,。

可見,，PN結(jié)實際上是一個單向?qū)娐罚∪藗儗⒕哂羞@種特性的半導體原件叫做二極管(Diode),。二極管的特性用I-V關系很容易的就展示出來——正向?qū)?，反向截止?/p>

有一類特殊的二極管，在導通的過程中會發(fā)出光,，這類二極管毫無意外地叫做發(fā)光二極管LED(Light Emitting Diode),。原理也很簡單，二極管導通的過程中N型半導體中的電子遷移到P型半導體中與空穴結(jié)合,，結(jié)合過程是釋放能量的過程(與電子被激發(fā)成自由電子需要吸能的過程相反),，釋放的能量通過發(fā)出光量子形成光。