半導體材料具有與絕緣體和導體相同的導電特性。它們可以由純元素(如硅或鍺)組成，也可以由兩種元素(如砷化鎵或硒化鎘)混合而成。半導體材料可以通過在純半導體中添加雜質(zhì)來摻雜，從而改變它們的導電性能。
半導體的原子結(jié)構
由于硅覆蓋了地球表面的 28%，它被認為是一種常見的材料，原子序數(shù)為 14。顯示了硅的原子結(jié)構：硅的外環(huán)中有四個電子，稱為價電子。在某些情況下，這些價電子可以與其他原子的價電子結(jié)合。發(fā)生這種情況時，會形成共價鍵，從而形成晶格晶體結(jié)構。
純硅是一種很好的絕緣體，這意味著不能通過它進行導電。但是，如果在純硅結(jié)構中添加一些雜質(zhì)，則可以改變這種半導體的導電特性。
在摻雜過程中，雜質(zhì)被添加到純半導體材料中，使其成為外在的(相對于純半導體，這是本征的)。一些最常見的雜質(zhì)類型是三價(三個價電子)，例如硼和鎵，以及五價(五個價電子)，例如砷和銻。
假設純硅半導體摻雜了五價雜質(zhì)砷。砷的四個價電子將與硅的四個價電子形成共價鍵，而來自砷的一個電子保持自由。在這個例子中，砷基本上“捐贈”了一個自由電子給硅結(jié)構。
所有五價雜質(zhì)都“提供”自由電子，被稱為供體雜質(zhì)。結(jié)果，在形成的結(jié)構中，通過電子進行傳導，晶體被稱為N型晶體。
三價雜質(zhì)只能利用三個電子形成共價鍵;因此，將需要一個電子來完成晶格結(jié)構，并且將保留一個空穴來代替丟失的電子。因為這個空穴可以接受一個電子，所以三價雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。在所得結(jié)構中，通過空穴進行導電，晶體稱為 P 型晶體。
p-n結(jié)架構
在P型半導體中，添加元素周期表的III族元素作為摻雜元素，而在N型半導體中，V族元素作為摻雜元素。在 P 型半導體中，多數(shù)載流子是空穴，少數(shù)載流子是電子。
p-n 結(jié)是由兩種不同摻雜的半導體類型組成的界面。在 P 區(qū)，有比形成結(jié)的半導體多一個間隙(更多正電荷)的三價摻雜元素，而在 N 區(qū)，有更多電子(更多負電荷)的五價摻雜元素。
“結(jié)”是指兩種摻雜(P 和 N)連接的區(qū)域。因此，如果 P 型層和 N 型層靠得很近，則在接合處會產(chǎn)生一個排空區(qū)。這發(fā)生在 P 區(qū)中的空穴趨向于接近 N 層并且 N 區(qū)中的電子趨向于向 P 區(qū)移動時。因此，排空區(qū)域似乎沒有電荷，因為相鄰的電荷相互抵消。
結(jié)果，在結(jié)中，產(chǎn)生了一個從右到左(從正到負)的電場，以及與電場方向相反的電位差 delta V。
半導體的 P 區(qū)也稱為受主區(qū)，因為它接受電子進入其區(qū)域，而 N 區(qū)也稱為施主區(qū)，因為它向 P 區(qū)提供電子。
假設 ap-n 結(jié)與電池進行電子連接。如果結(jié)的 P 區(qū)與電池的正極相連，N 區(qū)與電池的負極相連，則可以表示p-n結(jié)以直接極化方式連接。
在這種情況下，p-n 結(jié)將被電流穿過，因為 N 區(qū)域的負電荷被吸引到電池的正極。當這發(fā)生時，在克服了結(jié)的電位差之后，它們到達了電池的正極。同時，空穴被電子中和。
此外，如果 p-n 結(jié)反向連接，則應連接到與電池負極的 P 區(qū)和與電池正極的 N 區(qū)。在此期間，結(jié)內(nèi)不會有電流流通，因為排空區(qū)域會擴大，不允許任何電荷通過。
二極管是具有兩個端子的無源非線性電子元件，其功能是僅在一個方向上通過電流，即直接極化，而在極化反向時不讓電流通過。
晶體管及其類型
晶體管的第一個工作原型是 1947 年在貝爾電話實驗室開發(fā)的。晶體管的發(fā)明確實是電子領域最相關的發(fā)現(xiàn)之一，無論是數(shù)字還是模擬。
我們將重點介紹通過適當連接兩個 p-n 結(jié)獲得的雙極晶體管，也稱為雙極結(jié)晶體管 (BJT)。更準確地說，BJT 由三個摻雜的半導體區(qū)域組成，這樣：
· 稱為發(fā)射極和集電極的兩個橫向區(qū)域?qū)儆谕活愋?P 或 N)
· 中央?yún)^(qū)域，稱為基底，與側(cè)面區(qū)域的類型相反
如圖 4 所示，有兩種雙極晶體管配置：PNP 和 NPN。將有兩個潛在的障礙產(chǎn)生兩個相反的交叉點。
為了獲得晶體管效應而不是兩個簡單的相對二極管，必須遵守以下制造限制：
· 發(fā)射極和集電極區(qū)必須是重摻雜的，因此自由電荷豐富，而中心區(qū)必須是弱摻雜的，因此自由電荷很差。
· 底座的寬度必須非常小，厚度與勢壘相當。這樣，大多數(shù)充電器從發(fā)射極到集電極的時間會很短，很少有電荷可以在基極結(jié)合。
NPN和PNP晶體管的主要區(qū)別在于：
· 在 PNP 晶體管中，大多數(shù)電荷載流子是空穴，而在 NPN 晶體管中，電子是大多數(shù)電荷載流子。
· 當電流流過晶體管的基極時，NPN 晶體管導通。在 NPN 晶體管中，電流從集電極流向發(fā)射極。
· 當晶體管的基極沒有電流時，PNP 晶體管導通。在 PNP 晶體管中，電流從發(fā)射極流向集電極。
晶體管可以在三種模式下工作：
· 放大器(也稱為有源模式)。在這種模式下，發(fā)射極-基極結(jié)為正向偏置，而集電極-基極結(jié)為反向偏置。這樣做，電流從發(fā)射極流向集電極，其值與基極電流成正比。
· 切斷模式。發(fā)射極-基極和集電極-基極結(jié)都是反向偏置的。除了可忽略不計的靜態(tài)電流外，沒有電流流動，晶體管關閉。
· 飽和模式。發(fā)射極-基極和集電極-基極結(jié)都是正向偏置的。所有電流從發(fā)射極流向集電極，晶體管導通。
從前文所述，晶體管通常用作電流放大器，或用作啟用/禁用與其連接的負載的開關。
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