从半导体材料看晶体管和二极管

半导体对我们的社会产生了巨大的影响，在许多电子产品中，半导体是芯片和晶体管的核心。现如今，大多数半导体芯片和晶体管都是用硅制成的。

二极管是最简单的半导体器件，在本文中，我们将了解什么是半导体、掺杂的工作原理以及如何使用半导体制造二极管。但首先，让我们仔细看看硅。硅是一种非常常见的元素，是沙子和石英中的主要元素。如果在元素周期表中查找“硅”，会发现它位于铝旁边，低于碳，高于锗。

*在元素周期表中，硅位于铝旁边，低于碳。

碳、硅和锗（锗与硅一样，也是一种半导体）在它们的电子结构中具有独特的性质，每一种在其最外层都有四个电子。四个电子与四个相邻原子形成完美的共价键，形成一个晶格。在碳中，我们知道结晶形式为金刚石。在硅中，结晶形式是一种银色的、金属外观的物质。

*在硅晶格中，所有硅原子都与四个相邻原子完美结合，不会留下自由电子来传导电流。这使得硅晶体成为绝缘体而不是导体。

金属往往是良好的电导体，因为它们通常具有可以在原子之间轻松移动的“自由电子”，而电涉及电子的流动。虽然硅晶体看起来是金属的，但实际上它不是金属。硅晶体中的所有外层电子都参与了完美的共价键，因此它们不能四处移动。所以，纯硅晶体几乎是绝缘体，很少有电流流过它。

但是我们可以通过一个叫做“掺杂”的过程来改变这一切。

一、掺杂硅

我们可以通过掺杂改变硅的行为并将其变成导体。在掺杂过程中，将少量杂质混入硅晶体中。

有两种类型的杂质：

N型：在N型掺杂中，将少量磷或砷添加到硅中。磷和砷各有五个外层电子，所以当它们进入硅晶格时，它们的导电性就会发生变化。第五个电子没有什么可以结合的，所以它可以自由移动。我们只需要掺杂非常少量的杂质就可以产生足够的自由电子，让电流流过硅。N型硅是良导体，电子带负电荷，因此命名为N型。

P型：在P型掺杂中，硼或镓是掺杂剂。硼和镓各自只有三个外层电子。当它们混合到硅晶格中时，它们会在晶格中形成“空穴”，硅电子无法与之键合。没有电子会产生正电荷的影响，因此称为P型。空穴可以传导电流，一个空穴很容易接受来自邻居的电子，从而将空穴移动到一个空间上。P型硅是良导体。

少量的N型或P型掺杂将硅晶体从良好的绝缘体转变为可行的（但不是很好的）导体——因此得名“半导体”。

N型和P型硅本身并没有那么神奇，但是当你把它们放在一起时，你会在交界处得到一些非常有趣的行为，这就是二极管中发生的事情。

二极管是最简单的半导体器件，二极管允许电流沿一个方向流动，但不能沿另一个方向流动，我们可以将二极管看做是电子的单向闸门。

如图所示*，当你将N型和P型硅放在一起时，你会得到一个非常有趣的现象，它赋予了二极管独特的特性。

尽管N型硅本身是导体，P型硅本身也是导体，但图中所示的组合不导电。N型硅中的负电子被电池的正极吸引。P型硅中的正极孔被吸引到电池的负极端子上。没有电流流过结，因为空穴和电子各自朝错误的方向移动。

如果你翻转电池，二极管导电就能通过。N型硅中的自由电子被电池的负极排斥。P型硅中的空穴被正极排斥。在N型和P型硅之间的结处，空穴和自由电子相遇。电子填充空穴。那些空穴和自由电子不复存在，新的空穴和电子涌现出来取而代之。结果就是电流能流过结。

二、二极管和晶体管

1.二极管

阻止一个方向上的电流同时让另一个方向上的电流流动的器件称为二极管。二极管可以以多种方式使用，例如，使用电池的设备通常包含一个二极管，如果你相反放入电池，该二极管会保护设备。相应的，如果线路接反了，二极管只会阻止任何电流离开电池，这可以保护设备中的敏感电子设备。

当反向偏置时，理想二极管会阻断所有电流。一个真正的二极管可能允许10微安通过，这不是很多，但仍然不完美。如果施加足够的反向电压(V)，结会击穿并让电流通过。通常，击穿电压比电路所看到的电压要高得多，因此无关紧要。

正向偏置时，需要少量电压才能使二极管工作。在硅中，这个电压约为0.7伏。需要该电压来启动结处的空穴与电子结合过程。

2.晶体管

与二极管相关的另一项具有里程碑意义的技术是晶体管，晶体管和二极管有很多共同点。通过使用三层“夹层”，即NPN或PNP，晶体管可以充当开关或放大器。

晶体管看起来像两个背靠背的二极管。我们可以想象出，这种情况下没有电流可以流过晶体管，因为背靠背二极管会双向阻断电流。但是，当你向夹层的中心层施加小电流时，更大的电流可以流过整个夹层。这使晶体管具有其开关行为，即小电流可以打开和关闭较大的电流。

硅芯片是一块可以容纳数千个晶体管的硅片。使用晶体管作为开关，我们可以创建布尔门，使用布尔门，甚至自己可以制作一个微处理器芯片。

从硅到掺杂硅，从晶体管再到芯片，科技的发展使得微处理器和其他电子设备在当今社会变得廉价和无处不在，但其基本原理却出奇地简单。

以上就是英锐恩单片机开发工程师分享的“从半导体材料看晶体管和二极管”。英锐恩专注单片机应用方案设计与开发，提供8位单片机、16位单片机、32位单片机。