[忽软忽硬] 动手做电脑 005 PN结的工作原理

今天最常用的半导体是硅和锗。我们看一下元素周期表就可以看 到,碳,硅,锗是同一列的元素,学名我们把它们称之为同一族元素。同一族元素有什么样的性质呢,最外层的电子数是一样的。我们从上 往下看,六号元素 C 是非金属,14 元素 Si 是半导体,32 号元素 Ge 是 金属。也就是说,是从非金属到金属在递变。在金属和非金属过渡线 上的元素,被称被称之为半导体,顾名思议,就是导电不如金属好,在 室温下多少有点导电,不像非金属一样完全不导电,只有接近绝对零 度,才完全不导电。

按照《费曼物理学讲义》第 3 卷第 13 和第 14 这两章的内容,费曼解释了一个奇怪而不可思议的事情——在完美的晶体中的电子为什么可以穿过晶格运动,即使它与所有的原子碰撞也能完全自由的流动, 这是固体导电的原因。

如果我们人为的往硅晶体里放入一个别的原子,比如硼原子或者 磷原子,会发现硼原子或者磷原子能占据硅晶格中的一个位置,这样一来它就必须表现得与 4 价硅原子一样,用它的最外层价电子与硅形 成晶体键,但是硼原子最外层只有 3 个价电子,就会有一个空穴,磷 原子的最外层有五个价电子,就会多一个电子。

我直接引用《费曼物理学讲义》第 14 章的结论,如果大家对实际 的推算过程有兴趣,可以自己去找书来看看。当晶体中产生“空穴”的 时候,“空穴”的行为像具有一定有效质量的经典粒子一样,所以“空 穴”像一个在晶体中运动的带正电的粒子。“空穴”粒子的电荷是正的。像这种掺杂硼元素的晶体内空穴数目较多的材料称之为“p 型”半导体。(其中的 p 代表英文单词 positive.)

同理,加入磷元素,从而使晶体内电子数较多的材料被称之为“n型”半导体。(其中的 n 代表英文单词 negative.)

如果只有这两种半导体也没什么用,顶多接在电路里能导电,虽 然两种导电有些不同,p 型半导体导电是因为因为空穴,n 型半导体导 电是因为有多余的电子。真正有意思的事情是当两种类型的半导体结 合在一起的时候,神奇的事情就发生了。

当 p 型半导体和 n 型半导体结合的时候,“金风玉露一相逢,便 胜却人间无数。”p 型半导体有多余的空穴,n 型半导体有多余的电子, 那么电子会跑过去来填补空穴。可能大家会想,如果能造出一种有无 穷多空穴的物质,然后再造一种有无穷多电子的物质,然后用导线连 接起来,不就成了永动机了么?实际上是不可能的,费曼在书里已经 解释了为什么不可能,接触的地方又会形成一个类似 PN 结的东西。

两种半导体材料接触的时候,会形成一层不到 1 微米的边界,按 照 wikipedia 上讲是只有十分之几微米那么薄的一层膜。在这一层薄 膜里,会因为电子与空穴的互相渗透,形成一个电势差。对硅来说,这 个电压大概是 0.5V-0.7V,对锗来说,这个电压大概是 0.2V 到 0.3V。

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