組織機構(gòu)
很多人都知道二極管是可以單向?qū)щ姷模簿褪侵挥姓虻碾娏骺梢酝ㄟ^二極管，而反向的電流不行。然而，反向的電流真的通不過二極管嗎？二極管里面到底藏了什么機關(guān)，會讓二極管具有這樣神奇的性質(zhì)呢？ 人們最早用的二極管叫做“真空二極管”，也叫做“電子二極管”，就是大家耳熟能詳?shù)碾娮庸?，它是靠被燈絲加熱的陰極發(fā)射電子導(dǎo)電的。陽極電位高于陰極時，陰極發(fā)射的電子在電場的作用下，向陽極運動形成電子流；而陰極電壓比陽極高時，電子所受到的電場力是將電子拉回陰極的，不能產(chǎn)生電流。 我們現(xiàn)在常見的二極管，叫做“半導(dǎo)體二極管”。要了解半導(dǎo)體二極管，得先從硅說起。 我們只要學(xué)過初中化學(xué)就能知道，硅（Si）是四價的元素。在硅形成晶體的時候，每個硅原子都與四個其它的硅原子以共價鍵相結(jié)合，也就是鉆石里面的碳原子的排列方式。 每根共價鍵都是由兩個硅原子共用一對電子而形成，電子就這樣被束縛住，不容易亂跑，換句話說，就是不容易掙脫束縛變成自由電子。從這個角度來說，硅應(yīng)該是絕緣體。（下圖只是為了描述方便，實際上硅晶體中各個原子并非這樣的平面結(jié)構(gòu)，而是呈正四面體的結(jié)構(gòu)，每兩根共價鍵之間的角度大約是109°28'。） 但是，硅晶體里面的這些電子卻不被束縛得像結(jié)緣體那么緊。當(dāng)硅受熱或者受到光照，吸收了能量時，共價鍵里的電子就有可能獲得足夠能量，掙脫束縛，形成自由電子，這樣在它原來的位置，就會形成一個空穴，這個過程稱為“本征激發(fā)”。 失去了一個電子后，在微觀上這個原子就帶上正電了。在外加電場的作用下，鄰近的電子會過來填補空穴，另一個原子就出現(xiàn)了空穴。這樣自由電子和空穴都產(chǎn)生了自由移動，形成電子流和空穴流。這樣我們不妨把空穴也看成一種帶正電的“子”。 金屬之所以導(dǎo)電，是因為金屬晶體里含有大量的自由電子，可以作為電流的載體，因而被稱為載流子。在單晶硅里面，載流子有兩種：自由電子和空穴。帶負電的自由電子和帶正電的空穴的運動，可使得硅具有一定的導(dǎo)電性。因此，硅這種又有導(dǎo)體性質(zhì)、又有結(jié)緣體性質(zhì)的材料，就被稱為半導(dǎo)體。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體中的載流子濃度呈指數(shù)增長，導(dǎo)電能力相應(yīng)提升。 自由電子有時候也會遇到空穴，這樣自由電子就又被束縛住了。這種現(xiàn)象叫“復(fù)合”。 需要注意的是，雖然空穴的移動本質(zhì)上也是電子的運動，但空穴和自由電子是不一樣的。前者是由在臨近的原子間依次傳遞而產(chǎn)生，也就是電子只是去到鄰居家，并沒有獲得自由。而后者是自由的電子，就像直接離家出走、遠走高飛了一樣。 即便有這兩種載流子，純硅的導(dǎo)電性還是很低，因為載流子數(shù)目實在是太少了。如果能增加載流子的濃度，那么硅的導(dǎo)電性就會大大提高。用什么辦法呢？摻雜！ 如果在硅中摻入少量五價的磷（P）,那么磷依舊會和周圍的四個硅原子形成四個共價鍵。然而，磷的最外層有5個電子，形成共價鍵只需要4個電子，那么剩下一個沒被束縛的電子呢？這就形成了自由電子。這樣，摻了磷之后的硅的自由電子數(shù)量大大增加。自由電子數(shù)目一多，空穴的數(shù)目就減少了很多，因為空穴與自由電子復(fù)合的概率大大增加。 在27℃時，每立方厘米純硅約有自由電子或空穴150億個。當(dāng)摻入一定的磷之后，自由電子的數(shù)目就可增加幾十萬倍，而空穴的數(shù)目會減少到每立方厘米23萬個以下。這時候，自由電子是多數(shù)載流子，簡稱多子，空穴是少數(shù)載流子，簡稱少子，摻入的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)。這種半導(dǎo)體就叫電子半導(dǎo)體，也就是N型半導(dǎo)體。 如果純硅里面摻入三價的硼（B），那情況就完全反過來了。硼也會和周圍的四個硅原子結(jié)合，但是硼原子最外層只有3個電子，這樣就缺了一個電子，形成了一個空穴。這樣，摻硼的硅里空穴就成了多子，而自由電子就成了少子。這種半導(dǎo)體就叫空穴半導(dǎo)體，也就是P型半導(dǎo)體。 P和N分別是positive和negative的縮寫，在這里是“正”和“負”的意思，并不是說空穴很“積極”，而電子很“消極”。剛剛所說的磷和硼元素只是舉例，其它的滿足條件的五價或三價元素也是可以的。 基礎(chǔ)的東西說了那么多，我們就要進入核心內(nèi)容了。那么當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相遇時，會發(fā)生什么神奇的事呢？ 通常會在一塊N型半導(dǎo)體的局部在摻入濃度較大的三價雜質(zhì)，使得這局部邊轉(zhuǎn)變成P型半導(dǎo)體（反之亦可）。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處，就會形成一個特殊的薄層，這就是對于電子技術(shù)至關(guān)重要又最為基本的——PN結(jié)。 在這種情況下，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子都會趨向于向?qū)Ψ綌U散。但是，我們要首先知道一個前提：在未擴散前，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體宏觀上對外都是不顯電性的。P區(qū)的多子（空穴）會向N區(qū)擴散并與自由電子復(fù)合，N區(qū)的多子（自由電子）也會向P區(qū)擴散并與空穴復(fù)合，這樣就形成了空間電荷區(qū)，又稱耗盡層，這種運動稱為擴散運動；同時，N區(qū)的少子（電子）和P區(qū)的少子（空穴）也會向另一側(cè)運動，這種運動稱為漂移運動。當(dāng)擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡，P區(qū)這邊就帶上了負電，N區(qū)帶上了正電，這樣P區(qū)和N區(qū)交界處就形成了一個電場，這個電場就像一個屏障，阻止兩邊的多數(shù)載流子繼續(xù)擴散下去。電場兩端的電位差稱為接觸電位差，硅半導(dǎo)體的接觸電位差為0.7V，鍺半導(dǎo)體為0.3V。這就是PN結(jié)的原理。 這個時候，如果外加一個由P區(qū)向N區(qū)的電場，也就是P區(qū)接正極、N區(qū)接負極（稱為外加正向電壓或正向偏置），那么那么P區(qū)和N區(qū)交界處的電場就會被削弱。當(dāng)外加電壓大于接觸電位差時，擴散運動遠遠強于漂移運動，兩邊的多數(shù)載流子都能通過PN結(jié)，這個時候，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)外加電壓小于接觸電位差，那么二極管就不會導(dǎo)通。使二極管導(dǎo)通的最低電壓稱為死區(qū)電壓。 但如果是外加一個由N區(qū)向P區(qū)的電場（稱為反向偏置），那么交界處的電場反而會增強，這樣更加抑制了兩邊多數(shù)載流子的擴散運動，此時漂移運動起主導(dǎo)作用，兩邊的少數(shù)載流子可以穿過PN結(jié)，形成微小的反向電流。但是我們剛剛已經(jīng)知道，少數(shù)載流子的數(shù)量實在太少，因此這個反向電流也極小，小到我們可以認為沒有導(dǎo)通。這時候PN結(jié)就處于截止?fàn)顟B(tài)。 把這個含有PN結(jié)的東西加上引線和殼，就成了二極管。 雖然我們說二極管可以單向?qū)щ?，但并不是說二極管反向不能導(dǎo)電，只是反向電流極小。當(dāng)反向電壓大到一定程度時，反向電流會突然增大，這種現(xiàn)象稱為“反向擊穿”。反向電流與電壓無關(guān)，故在較大的電流變化范圍內(nèi)能維持電壓的恒定，起到穩(wěn)定電壓的作用，這就是穩(wěn)壓二極管的工作原理。如果反向電流不是很大，那么反向擊穿的過程是可逆的；如果電流過大（無論正向還是反向），都會使二極管發(fā)生熱擊穿而損壞。 剛剛所介紹的都是硅管的工作原理。鍺同是四價元素，性質(zhì)與硅相似，利用鍺（Ge）同樣可以形成PN結(jié)，制作鍺管。硅管和鍺管在各方面參數(shù)各有優(yōu)劣，使用時需要根據(jù)實際情況選用。 在自由電子與空穴復(fù)合的時候，會釋放出能量。采用特殊材料制作PN結(jié)，就能使釋放出的能量以光能形式輸出，這就是發(fā)光二極管（LED）的原理。使用不同的材料，就能使LED發(fā)出不同顏色的光。 PN結(jié)不止存在于二極管中，在三極管中也存在。三極管的工作原理比二極管更為復(fù)雜，現(xiàn)在就暫不具體介紹了。簡而言之，三極管就是兩個“背靠背”的PN結(jié)，故三極管根據(jù)極性可以分為NPN型和PNP型兩類。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，半導(dǎo)體元件尺寸越來越小，因此人們就想到了將成千上萬個PN結(jié)集中到一起，以縮小設(shè)備的尺寸，這就是我們熟知的集成電路。集成電路中的主要元件除了PN結(jié)之外，就是電阻；通常電容和電感難以集成。手機、電腦……這些電子產(chǎn)品的電路，就包含了千千萬萬個PN結(jié)。當(dāng)你閱讀這篇文章時，你的手機里數(shù)不清的PN結(jié)就變換了數(shù)不清次數(shù)的工作狀態(tài)。
