铜是良导体,其原子结构见图1,第一层2个电子,第二层8个电子,第三层18个电子,最外层只有一个电子。
原子的最外层电子轨道称为价带轨道,他决定着原子的电特性,铜原子内部简化见图2,叫做核心。
原子核心与价电子之间的吸引力很小,外力非常容易使这个电子脱离铜原子,这就是价电子经常称为自由电子的原子的原因,也是铜成为良导体的原因,外加微小的电压,自由电子就在电场的作用下形成定向移动,也就是形成电流。最好的导体是铜、银、金,他们都可以用图2的核心图表示。
早期半导体元器件使用的唯一原材料,但是锗半导体存着致命的缺陷,反向电流过大,后来硅半导体的实用化,大部分器件开始使用硅制造!锗应用的很少了。
硅是地球上除氧外含量最丰富的元素,早期硅的提纯技术制约了硅的应用,提纯技术突破后,硅成为半导体的首要材料,硅的原子结构和核心见图3和图4。
每个硅原子价带轨道中都有8个电子,8个电子的稳定结构使硅形成稳定的固体,没有人知道为什么原子的最外层轨道为什么都趋向于8个电子,如果一个元素最外层没有8个电子,那么这个元素就与其它元素结合共享电子,以使最外层达到8个电子。
在一定的温度下,硅晶体形成一个自由电子的同时会产生一个空穴,即空穴和电子成对出现。
纯净的硅中,电子和空穴会结合,导致电子和空穴的消失,称为复合半导体,一定条件下,产生的电子和空穴与复合的速度是平衡的,也就是电子和空穴的浓度保持一个稳定的水平。
假设本征半导体中只有一个空穴和电子,图7中电子在正极的吸引下,负极电场的排斥下,从右侧向左侧运动,形成电子的流动。
空穴被A复合,A点形成新的空穴,A空穴又可以捕获新的电子,形成新的空穴,这样空穴就以ABCDEF的顺序移动,如同一个正电荷在运动。
本证 半导体中,在外加电压下,形成两种大小相同,方向相反的电流,图8所示。注意,在半导体之外也就是导体中没有空穴的流动。
将硅融化,破坏掉共价键,然后加入5价电子,如砷、锑、磷等,形成更多的电子,见图9b体育。
将硅融化,破坏掉共价键,然后加入3价电子,如铝、硼、钾等,形成更多的空穴,见图10。
N区电子在本区域电子的排斥下,在P区空穴的吸引下,越过PN结与P区空穴结合形成偶极子b体育,随着复合的不断进行,PN结附近载流子将进入衰竭状态形成耗尽层,见图12。
随着扩散的进行,偶极子增多,每个偶极子都有一个电压,这个电压将阻止电子的进一步扩散,并形成一个电压,这个电压叫做势垒电压。锗二极管约为0.3V,硅二极管约为0.7V。
正向偏置电路中,电子受到右侧的排斥和左侧的吸引作用,当外加电压小于势垒电压时,电子无法通过耗尽层,不能形成电流。当外加电压超过势垒电压后,N区电子通过耗尽层与P区的空穴结合形成电流,同时空穴从左向右移动形成空穴电流。
反向偏置后,N区电子被电池正极吸引半导体,P区电子被排斥进入N区,然后在电场的作用下再次达到一个新的平衡,耗尽层变宽了,见图15。
在耗尽层稳定后,还会有电流存在吗?答案是有的,因为分子热运动的原因,PN结附近还会激发出少量的电子和空穴,耗尽层中的少子会部分的穿过PN结,这时就会形成一个 微小的电流,也就是PN反向偏置时会有一个反向的持续的小电流。
除了少子形成的反向电流外,二极管表面存在着一个小电流,这时由于结构缺陷和杂质引起的。b体育
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