2、从半导体到晶体管
除了电压,半导体能不能导电,其实还和其他因素有关,例如掺杂程度。
怎么理解这个掺杂程度呢?又要翻开中学理化课本了。
我们用半导体最经典的材料硅来举例。硅元素有 14 个电子,按 2-8-4 分三层排列。
可是我们知道,原子最外层 8 个电子可以构成稳定状态。这时硅就想了,我这最外层只有 4 个电子,要是能想办法凑成 8 个电子多好啊!
方法还真有,那就是和别的原子共用。比如两个硅原子碰到一起,就会说,你最外面有 4 个电子,我最外面也有 4 个电子,咱俩共用一下,不就都有 8 个电子了吗?
所以,硅原子在一起,都是以这样的状态存在的:
了解这这一点,下面就要举一反三了。
如果我们在硅里掺杂一些磷原子会怎样呢?磷的最外层有 5 个电子,当它和硅原子共享完 4 个电子后,就会发现自己还剩下 1 个多余的电子,这个电子就成了自由电子。
这样掺杂后,原来的硅就会变成携带自由电子的半导体,我们把它叫做 “N 型半导体”。
而如果我们掺杂的不是磷,而是硼呢?硼最外层有 3 个电子,所以它只能和硅共用 3 个电子,还差一个电子没法共用,那也没办法,只能空在哪里,所以就形成了等价于正电荷的空穴。
这时候,硅就成了一种类似于带正电荷自由电子的半导体,我们把它叫做 “P 型半导体”。
注意,N 型半导体并不是只有自由电子,也有一些正电荷的空穴,只是这些空穴很少,是硅自己本征激发形成的。
同理,P 型半导体也有一些带正电荷的自由电子,也是本征激发形成的。
一个带有很多自由移动的电子(负电荷),一个带有很多的空穴(相当于正电荷),要是把 N 型半导体和 P 型半导体放一块,那会怎么样呢?
那还用说?那自由电子和空穴肯定就像对爱情渴慕已久的年轻男女,一见面就如狼似虎地纠缠在一起了呗。
不过,实际过程是这样的:
当 N 型半导体和 P 型半导体在一起,距离最近的自由电子和空穴首先迫不及待地结合在一起;
然后距离比他们稍微远一些的自由电子和空穴也纷纷聚拢过来;
这些 “情侣”太喜欢秀恩爱了,就在路中间抱了起来,结果,他们形成了一道 “人墙”,把路给挡住了。
这就尴尬了,他们挡住了路,后面的 “情侣”们就过不来了。
这时候,右边的 N 型半导体中的一些自由电子因为和空穴结合,相当于失去了一些电子,因此整体呈现正电;
左边的 P 型半导体中的一些空穴因为和自由电子结合,相当于失去了一些空穴,因此整体呈负电;
如此一来,两边就形成了一个电场,方向是从 N 型到 P 型,这个电场叫 “内建电场”。
中学物理课本说道:电子受力方向和电场方向相反。
因此这个内建电场形成后,N 区自由电子进入电场就会被弹出来,就像撞了墙一样,所以他们就到不了 P 区了。
不过呢,前面我们说了,P 区也是有少量自由电子的,他们的受力方向和电场方向是相同的,就可以在电场力的作用下,顺利漂到 N 区。
这个过程叫做 “载流子漂移”,他们飘到 N 区的过程,代表这个 PN 半导体可以通电,直到两边达到平衡。
而这个漂移运动的快慢,人们用 “电子迁移率”来表示。
注意,这些过程和上面 “人墙”的形成是动态同步进行的,人们把这种结构叫做 “PN 结”。
说了这么多,PN 结的这些特性有什么用呢?当然有用了。
如果我们再 N 区施加负电压,P 区施加正电压,那么 PN 两边就会形成一个新的电场,反方向从 P 到 N。
这个新的电场会抵消内建电场,内建电场被抵消后,“人墙”就会慢慢变小,最后消失,两边的载流子就可以畅通无阻了,这个 PN 半导体就可以通电;
而如果我们在 N 区施加的是正电,P 区施加的是负电,那么新的电场就会和内建电场方向相同,“人墙”就会越来越宽,导致载流子再也无法漂移,半导体就断电了。
正是基于这通操作,人们制造了晶体管。晶体管是芯片的最小单位。
晶体管是什么?其实就是很小很小的开关,控制半导体通电和断电,通电代表 “1”, 断电代表 “0”,由此形成各种庞大复杂的二进制运算。
当然,晶体管的具体结构和知识要复杂得多,上面所说的知识基础原理,至于关于晶体管的更多内容,这里就不便深入了。