在我們的日常生活中,經(jīng)常看到或用到各種各樣的物體,它們的性質(zhì)是各不相同的。有些物體,如鋼、銀、鋁、鐵等,具有良好的導(dǎo)電性能,我們稱它們?yōu)閷?dǎo)體。相反,有些物體如玻璃、橡皮和塑料等不易導(dǎo)電,我們稱它們?yōu)榻^緣休(或非導(dǎo)體)。還有一些物體,如鍺、硅、砷化稼及大多數(shù)的金屬氧化物和金屬硫化物,它們既不象導(dǎo)體那樣容易導(dǎo)屯,也不象絕緣體那樣不易導(dǎo)電,而是介于導(dǎo)體和絕緣體之間,我們把它們叫做半導(dǎo)體" title="半導(dǎo)體">半導(dǎo)體。絕大多數(shù)半導(dǎo)體都是晶體,它們內(nèi)部的原子都按照一定的規(guī)律排列著。因此,人們往往又把半導(dǎo)體材料稱為晶體,這也就是晶體管" title="晶體管">晶體管名稱的由來(意思是用晶體材料做的管子)。
物體的導(dǎo)電性能常用電阻率來表示。所謂電阻率,就是某種物體單位長(zhǎng)度及單位截面積的體積內(nèi)的電阻值。電阻率越小,越容易導(dǎo)電;反之,電阻率越大,越難導(dǎo)電。
導(dǎo)體、絕緣體的電阻率值隨溫度的影響而變化很小。但溫度變化時(shí),半導(dǎo)體的電阻率變化卻很激烈;每升高1℃,它的電阻率下降達(dá)百分之幾到百分之幾十。不僅如此,當(dāng)溫度較高時(shí),整體電阻甚至下降到很小,以致變成和導(dǎo)體一樣。
在金屬或絕緣體中,如果雜質(zhì)含量不超過干分之一,它的電阻率變化是微不足道的。但半導(dǎo)體中含有雜質(zhì)時(shí)對(duì)它的影響卻很大。以鍺為例,只要含雜質(zhì)一千萬分之一,電阻率就下降到原來的十六分之一。
鍺是典型的半導(dǎo)體元素,是制造晶體管的一種常用材料(注:當(dāng)前的半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)以硅Silicon材料為主)?,F(xiàn)以鍺為例來說明如何會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流、整流性能和放大性能
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我們知道,世界上的任何物質(zhì)都是由原了構(gòu)成的。原子中間都有一個(gè)原子核和者圍繞原子核不停地旋轉(zhuǎn)酌電子。不同元素的原子所包含的電子數(shù)目是不同的。蔗原子的原子核周圍有32個(gè)電子,圍繞著原子核運(yùn)動(dòng)。原子核帶有正電荷.電子帶有負(fù)電荷;正電荷的數(shù)量剛好和全部電子的負(fù)電荷數(shù)量相等,所以在平時(shí)鍺原子是中性的。
電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng),和地球圍繞太陽遠(yuǎn)行相似。在核的引力作用下,電子分成幾層按完全確定的軌道運(yùn)行,而且各層所能容納的電子數(shù)日也有一定規(guī)律。如圖所示:在鍺原子核周圍的32個(gè)電子組成四層環(huán),圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。從里往外數(shù),第一層環(huán)上有2個(gè)電子,其余依次為8、18、4個(gè)電子。凡是環(huán)上的電子數(shù)為2、8、18時(shí).這些環(huán)上的電子總是比較穩(wěn)定的。若環(huán)上的電子數(shù)不等于以上各數(shù)時(shí),這些環(huán)上的電子總是不太穩(wěn)定。
因此,鍺原子結(jié)構(gòu)中,第一、二、三層的電于是穩(wěn)定的,只有第四層(即最外一“層)的4個(gè)電于是不穩(wěn)定的。因最外一層的電子沒有填滿到規(guī)定的數(shù)目。我們把最外一層的電子叫做價(jià)電子。一般來說,最外層有幾個(gè)價(jià)電子,其原子價(jià)就為幾。鍺的最外層有4個(gè)價(jià)電子,所以鍺的原子價(jià)為4。
受外界作用,環(huán)上的電子可以克服原子核的吸引力而脫離原子,自由活動(dòng)成為自由電子。這些自由電子在電場(chǎng)力的作用下,產(chǎn)生空間運(yùn)動(dòng),就形成了電流??梢韵胂?,由于最外層的價(jià)電子離核比較遠(yuǎn),所受引力最小,所以最容易受外界影響而形成自由電子。因此,從導(dǎo)電性能看,價(jià)電子是很重要的。我們所說的鍺元素就是依靠它最外層的4個(gè)價(jià)電子進(jìn)行導(dǎo)電的。
鍺晶體內(nèi)的原子很整齊的排列著。各個(gè)原子間有相互排斥的力量,而每個(gè)原子除了吸引自己的價(jià)電子外,還吸引相鄰原子的價(jià)電子。因此,兩個(gè)相鄰原子的價(jià)電子便成對(duì)地存在。這一對(duì)電子同時(shí)受這兩個(gè)原子核的吸引,為它們所“共有”。這兩個(gè)相鄰原子也通過這個(gè)電子對(duì)被聯(lián)系在一起。這樣,電子對(duì)就好像起了鍵(聯(lián)結(jié))的作用,我們叫它共價(jià)鍵。每一個(gè)鍺原子以其4個(gè)價(jià)電子與其他4個(gè)鍺原子的價(jià)電子組成4個(gè)共價(jià)鍵而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
在理想情況下,鍺晶體中所有的價(jià)電子都織成了電子對(duì),因此沒有自由電子,這時(shí)鍺晶體是不易導(dǎo)電的。
但在外力作用下,如受溫度變化,其中可能會(huì)有一個(gè)價(jià)電子脫離鍵的束縛,掙脫共價(jià)鍵而跳出來,成為自由電子。這時(shí)共價(jià)鍵中出現(xiàn)了一個(gè)空位,我們把這個(gè)空位叫做空穴。由于原子本身正電荷和負(fù)電荷相等,故原子失去了電子后,整個(gè)原子就帶正電荷,稱為正離子。正離子容易吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ),電子離開后所留下的空位,使相鄰原子中又出現(xiàn)空穴,而這個(gè)新出現(xiàn)的空穴,又可能為別的電子去填充。電子這樣不斷地填充空穴,就使空穴的位置不斷地在原子問轉(zhuǎn)移。空穴的轉(zhuǎn)移,實(shí)際上也是電子(電荷)的運(yùn)動(dòng),所以也就形成電流,這叫做空穴流。而原來失去的屯子,在晶體中運(yùn)動(dòng),形成了電子流。為了便于敘述,今后就認(rèn)為空穴在運(yùn)動(dòng),而且把它當(dāng)作一個(gè)正電荷來看(實(shí)際上是空穴所在的原子呈現(xiàn)一個(gè)單位正電荷的電量)。由于空穴和電子都帶有電荷,它們的運(yùn)動(dòng)都形成電流,所以就統(tǒng)稱它們?yōu)檩d流子。
一塊不含有雜質(zhì)的、品格完整的半導(dǎo)體叫做本征半導(dǎo)體。因?yàn)樗犯裢暾?,如果有一個(gè)電子從共價(jià)鍵中釋放出來,必定留下一個(gè)空眾。所以本征半導(dǎo)體中電子和空眾總是成對(duì)地出現(xiàn),它們的數(shù)日相等,稱為電子一空穴對(duì)。在常溫下,由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,在本征半導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的電子一空穴對(duì),形成電子流和空穴流,總的電流是兩者之和。如沒有外界電場(chǎng)作用,電子和空穴的這種運(yùn)動(dòng)是雜亂無章的,電子流和空穴流方向也是不定的,結(jié)果互相抵消,沒有凈電流出現(xiàn)。但在電場(chǎng)作用下,這種半導(dǎo)體兩端就出現(xiàn)電壓,電子向正端方向運(yùn)動(dòng),空穴向負(fù)端方向運(yùn)動(dòng),形成了定向電流,半導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生電流了。本征半導(dǎo)體因電場(chǎng)作用而產(chǎn)生的導(dǎo)電現(xiàn)象就叫本征導(dǎo)電。
通常,我們很少見到本征半導(dǎo)體,大多遇到的都是P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。
前面說過,半導(dǎo)體中加進(jìn)了雜質(zhì),電阻率就大大降低。這是因?yàn)榧舆M(jìn)雜質(zhì)后,空穴和電子的數(shù)目會(huì)大大增加。例如,在鍺晶休中摻入很少一點(diǎn)三價(jià)元素銦,由于銦的價(jià)電子只有三個(gè),滲入鍺晶體后,它的三個(gè)價(jià)電子分別和相鄰的三個(gè)鍺原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵,而對(duì)相鄰的第四個(gè)鍺原子,它沒有電于拿出來和這個(gè)鍺原子“共有”了,這就留下了一個(gè)空穴(見圖1一3(c))。因?yàn)閾饺肓松倭康碾s質(zhì)銦,就會(huì)出現(xiàn)很多空穴;這是因?yàn)榧词故巧倭康?,里面含有的原子?shù)目卻不少。雜質(zhì)半導(dǎo)體中空穴和電子數(shù)目不相等,在電場(chǎng)作用下,空穴導(dǎo)電是主要的,所以叫空穴型半導(dǎo)體或者說是P型半導(dǎo)體。換句話說,P型或空穴型半導(dǎo)體內(nèi)是有剩余空穴的,摻入的雜質(zhì)提供了剩余空穴。在P型半導(dǎo)體中,空穴是多數(shù),所以稱空穴為多數(shù)載流子;電子數(shù)目少,就叫少數(shù)裁流子。滲入的雜質(zhì)能產(chǎn)生空穴接受電子,我們叫這種雜質(zhì)為受主雜質(zhì)。
如果把五價(jià)元素砷摻入鍺晶體中,砷原子中有5個(gè)價(jià)電于,它和四個(gè)鍺原子的價(jià)電子組成共價(jià)鍵后,留下一個(gè)剩余電子,這個(gè)剩余電子就在晶體中到處游蕩,在外電場(chǎng)作用下形成定向電子流。摻入少量的砷雜質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生大量的剩余電子,所以稱這種半導(dǎo)體為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。在這種半導(dǎo)體中有剩余電子,這時(shí)電子是多數(shù)載流子,而空穴是少數(shù)載流子。因?yàn)樯槭鞘┙o剩余電子的雜質(zhì),所以叫做施主雜質(zhì)。
如果沒有外電場(chǎng)的作用,不論N型或P型半導(dǎo)體,它們的載流子運(yùn)動(dòng)是無規(guī)則的,因此,不會(huì)形成電流
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把一塊P型半導(dǎo)休和N型半導(dǎo)體緊密聯(lián)接在一起時(shí)(實(shí)際上只能用化學(xué)方法將兩個(gè)原來獨(dú)立的鍺片合在一起).就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象,即在它們的兩端加上適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí),會(huì)產(chǎn)生單向?qū)щ娪^象。因?yàn)檫@時(shí)在它們的交界面上形成了一個(gè)所謂P—N結(jié)的結(jié)構(gòu),單向?qū)щ姮F(xiàn)象就發(fā)生在這一薄薄的P—N結(jié)中。P—N結(jié)是晶體管的基礎(chǔ),它是由擴(kuò)散形成的。
我們知道,P型半導(dǎo)體內(nèi)空穴是多數(shù)載流子,即空穴的濃度大;而N型半導(dǎo)體內(nèi)電子是多數(shù)載流予,電子的濃度大。二者接觸之后,由于在P型區(qū)和N型區(qū)內(nèi)電子濃度不同,N型區(qū)的電子多,就向P型區(qū)擴(kuò)散,擴(kuò)散的結(jié)果如圖1—4(b)所示。N型區(qū)薄層I中部分電子擴(kuò)散到P型區(qū)去,薄層I便因失去電于而帶正電。另一方面,P型區(qū)的空穴多,也會(huì)向空穴濃度小的N型區(qū)擴(kuò)散,結(jié)果一部分空穴從薄層I向P(型區(qū)擴(kuò)散,使薄層Ⅱ帶負(fù)電。
電于和空穴的擴(kuò)散是同時(shí)進(jìn)行的,總的結(jié)果,P型區(qū)薄層Ⅱ流走了空災(zāi),流進(jìn)了電子,所以帶負(fù)電,而N型區(qū)的薄層I流走了電子,流進(jìn)了空穴,因而帶正電,而且隨著擴(kuò)散現(xiàn)象的繼續(xù)進(jìn)行,薄層逐漸變厚,所帶的電量也逐漸增加。不過,這種擴(kuò)散現(xiàn)象不會(huì)無休止的進(jìn)行下去;當(dāng)擴(kuò)散進(jìn)行到一定程度后,薄層Ⅱ帶了很多負(fù)電,從N型區(qū)向P型區(qū)擴(kuò)散的電子總數(shù)因電子受到它的排斥不再繼續(xù)增加;同樣道理,從P型區(qū)向N型區(qū)擴(kuò)散的空災(zāi)總數(shù)也不再增加。于是擴(kuò)散似乎不再繼續(xù),而達(dá)到所謂“動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)”。這時(shí)P—N結(jié)也就形成了。
所謂P—N結(jié),就是指薄層I和Ⅱ所構(gòu)成的帶電結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗茏柚闺娮雍涂昭ǖ睦^續(xù)擴(kuò)散,所以也叫阻擋層。它們之間的電位差一般稱勢(shì)壘或位壘。
我們用圖來闡明P—N結(jié)的單向?qū)щ娦阅堋R勒請(qǐng)D示方法,將P型區(qū)接電池正極,N型區(qū)接負(fù)極。向右調(diào)動(dòng)電位器,使加到P—N結(jié)構(gòu)端的電壓逐頹增高,就會(huì)發(fā)現(xiàn):當(dāng)電壓表讀數(shù)增高時(shí),電流表的讀數(shù)也隨之增大。此時(shí),P—N結(jié)的電阻很小,這種接法叫正向聯(lián)結(jié)。
若反過來,把P型區(qū)接電池負(fù)極,而N型區(qū)接正極,這時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn):把電壓增高到幾十伏,電流的指示只有幾個(gè)或幾十個(gè)微安,此時(shí)P—N結(jié)的電阻很大,反向電流很快就達(dá)到飽和不再增加了。這說明電流只能沿著一個(gè)方向流過P—N結(jié),這個(gè)現(xiàn)象就叫做單向?qū)щ姟?/p>
單向?qū)щ姮F(xiàn)象可以這樣來解釋;因?yàn)樵赑型區(qū)接電池正極而N型區(qū)接負(fù)極時(shí),外加電壓的方向剛好和P—N結(jié)勢(shì)壘電壓的方向相反,使薄層Ⅱ帶的負(fù)電量和薄層I帶的正電量減少,因此削弱了P—N結(jié)的勢(shì)壘,于是在正電壓的作用下,電子和空穴的擴(kuò)散又可進(jìn)行,N型區(qū)的電子不斷跑到P型區(qū),P型區(qū)的空穴也不斷跑到N型區(qū),正向電流也就產(chǎn)生了。而且,正向電壓加得越高,P—N結(jié)勢(shì)壘削弱得越厲害,擴(kuò)散也就越容易進(jìn)行,正向電流也就越大。
當(dāng)P—N結(jié)和電池反向連接時(shí),外加電壓起著增強(qiáng)P—N結(jié)勢(shì)壘的作用,使薄層Ⅱ帶的負(fù)電荷和薄層I帶的正電荷增加,擴(kuò)散更無法進(jìn)行。這時(shí)只有P型區(qū)的少數(shù)教流子一電子和N型區(qū)的少數(shù)我流子一空穴,受外加電壓作用形成微弱的反向電流。而少數(shù)栽流子的數(shù)目不多,所以在反向電壓只有零點(diǎn)幾伏時(shí),反向電流就達(dá)到飽和了。
P—N結(jié)還有一個(gè)十分重耍的特性,即所謂反向擊穿電壓。當(dāng)所加反向電壓大到一定數(shù)值時(shí),P—N結(jié)電阻會(huì)突然變得很小,反向電流會(huì)驟然增大,而且是無限地增大。這種現(xiàn)象叫P—N結(jié)的反向擊穿。開始擊穿時(shí)的電壓數(shù)值叫反向擊穿電壓。它直接限制了P—N結(jié)用做整流和檢波時(shí)的工作電壓。
總之,一個(gè)簡(jiǎn)單的P—N結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?,半?dǎo)體收音機(jī)正是利用這一特性來進(jìn)行整流和檢波的。半導(dǎo)體二極管就是根據(jù)這一原理制成的。