预备知识


中学大学物理忘光光?没关系。讨厌数学公式?OK。本文只需有「模糊不清的、基本的」电学基础概念。

回忆


抛开半导体,先说所有物体。

我们知道,物体被分成两种:导体和绝缘体。导体的导电性能好,绝缘体不能导电。同时也了解,这并不是绝对的,只要外能量足够,任何物体都可以导电。

那么导体能导电的原理是什么呢?

首先想起来的是「导体能导电是因为自由电子的移动」,稍微精确一点的版本是「自由电荷的定向移动」,因为:

  • 不仅有自由电子,还有液态金属的正负离子。
  • 自由电子平时也在移动,不过是不规则移动,并不产生电流。

为了描述上方便,下面就只说「自由电子」。

自由电子与电流


导体又被分成良导体和半导体,大部分金属是良导体,半导体最常见的是硅。

为什么良导体容易导电呢?这是因为它的原子最外层电子少,很容易摆脱原子核的束缚,成为「自由电子」。自由电子可以自由移动,在平时,它们是无规则地运动,因此导体无电流。一旦加上电场,在电场的作用下,自由电子像被驱赶一样,不停的绕着闭合回路做定向运动,因此形成「电流」。

以前我有认识错误,认为是电源不断地在放出电子。其实,电源的作用是提供电压,也就是电场。

物理上,把这种看不见的力叫做「场」。比如「电场」、「磁场」。

自由电子来自于导体本身。它们在电场作用下不停地定向移动,总量保持不变。

认识半导体


半导体的导电性能介于良导体和绝缘体之间,它的最外层有4个电子,因此是比较中庸的结构。原子「既不是很容易、也不是很难」失去电子。我们把纯度为99.99999%的半导体称为「本征半导体」。譬如,纯净的硅晶体会像这样排列得整整齐齐:

si

每一条连线上都有两个电子,形成共价键。

空穴


在理想的绝对零度下,晶体硅会像上面那样排列得整整齐齐。但现实中,由于有温度、光照等因素,原子受到能量,有些共价键上的电子会因此脱离原子的束缚,成为「自由电子」,而因为电子的离开,原来容纳电子的地方就剩下一个空位,称为「空穴」。

本征半导体的自由电子和空穴的数量总是相等的。想一下,空穴正是由于电子的离开而出现的。

但是常温下,本征半导体中的「自由电子-空穴 对」的数量是很少的,因此导电性能是很差的。但是人们通过「掺杂」其他原子,使得它的导电性能有质的飞跃。

N型半导体和P型半导体


在硅晶体中掺入5价的砷或锑原子,就得到「N型半导体」。

N应该是英文Negative的意思,代表负。

N

 

像这样,杂质原子(即掺入的砷或锑原子)的其中4个电子和周围的4个硅原子共享电子,形成共价键,但是还剩余一个电子。这个额外的电子是自由电子。

掺入的杂质原子越多,就有越多的自由电子。半导体的导电性能也就越强。我们把这样的杂质原子成为「施主原子」。

施主?老衲?贫僧?之所以叫这个,大概是因为每个杂质原子都施舍了一个自由电子吧。

但是,请注意,我们掺入的杂质原子本身也是电中性的,因此整个半导体也是电中性的。

而且,此时半导体内的「自由电子-空穴 对」不再相等了,自由电子的数目已经比空穴还多了。掺入越多施主原子,自由电子的浓度就越高。

再来看看另一种相反的掺杂法。

在硅晶体掺入3价的硼原子,就得到「P型半导体」。

P应该是英文Positive的意思,代表正。

P

由于杂质原子只有3个原子与周围的4个硅原子共享,会造成其中一个硅原子的共价键上出现一个空位,这与「空穴」等价。

我们把这样的杂质原子称为「受主原子」。

因为它有一个空位,可以容纳电子。

掺入的受主原子越多,半导体的空穴的浓度就越强,同时,导电性能也越强。是的,「空穴跟自由电子一样,也参与导电」,我们把自由电子和空穴统称为「载流子」,意即「负载电流之物」。

既然电子呈现「带负电」,那么「空穴」很自然就是「带正电」。可以试想「空穴」是原子失去电子产生的,而失去电子后,原子带正电。

同样地,P型半导体也呈现电中性。

到这里,可以小结一下:

N型半导体中,自由电子占多数;P型半导体中,空穴占多数。自由电子和空穴被称为载流子,因为它们都参与导电。

等等!空穴是如何参与导电的


空穴,这个概念,更像是物理学家为了与自由电子作对称而「引入」的概念。它是一个电子空位,实际上并不会移动。但是我们却可以在几乎任何一本电学书上看到这样的描述:

空穴向负极移动
空穴的移动产生电流

实际上,空穴移动的本质,还是电子的移动。下面做个形象的说明,假设我们现在有编号为1-5的5把椅子,4个人,如下安排:


椅子1 椅子2 椅子3 椅子4 椅子5 人1 人2 人3 人4
————– ————– ————– ————– ————–

4个人相当于4个电子,椅子5现在是「空穴」。

现在,「人4」移动到「椅子5」:


椅子1 椅子2 椅子3 椅子4 椅子5 人1 人2 人3 人4 ————– ————– ————– ————– ————–

看到没,这相当于「空穴」从「椅子5」移动到了「椅子4」。

所以,「空穴」的移动实际上是因为我们选择的参照物不同,实际上还是因为「电子」的移动造成的。

在P型半导体中,由于共价键上有空穴,会把附近原子共价键上的电子吸引过来填充,而被吸去电子的原子又产生空穴,又会去吸引附近的原子的电子,如此往复下去。就像上面的例子一样。

空穴导电确实跟自由电子导电有所不同。空穴依靠逐个吸引附近电子而形成电流,而自由电子则是电子摆脱原子核束缚自由移动。

One more thing…


说了这么多,其实就是为了理解「二极管」和「三极管」做准备。这是数字电路中最常见的器件。它们就是由上面说的N型半导体和P型半导体「拼成」的而已!所以,只要理解了这两种半导体,要理解「二极管」和「三极管」原理的知识准备也就完成了。