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科普知识:一文看懂半导体
发布时间:2021/10/22 9:33:00  浏览次数:1301

         有没有想过一个问题,半导体产业为什么叫半导体?为什么芯片,集成电路和半导体联系起来?  

       其实半导体在最原始的时候是一种材料,比如硅。后来使用这些半导体材料制作了集成电路,又将集成电路封装成芯片。但是半导体这个名字一直保留着,所以我们通常把这些统统以半导体这三个字代替。

       现在我们该聊一聊半导体中最基本的单元:“PN。现在公认的半导体理论基础是也是1949年的PN结理论。后面才有真正的二极管和CMOS理论。

       我们主要聊一聊二极管。三极管是二极管的一个延展,我们最后再简单的说一下。

       我在第一期的时候聊到过,半导体一开始只是只处于导体和绝缘体之间的元素,比如硅。那这个半导体到底有什么特点呢?

       半导体的特点:

     我们现在想像有这么一朵花,有四个花瓣。但是呢,这朵花如果只有四个花瓣及其不稳定,风一吹就掉了,它必须有8个花瓣才能稳定。那这怎么办呢,他只能从旁边的花中借,从每个隔壁的花上借一个花瓣,然后就稳定了,形成这样一个结构。比如中间红色的花就是从隔壁四个花中各借一个花瓣,然后红色的花周围就有8个花瓣了,风也吹不走了。同时BCDE四朵花也从他们各自的旁边借四个花瓣就可以了。这样就形成一个稳定的结构了。这是半导体最原始的结构。


但是现在如果它旁边的花不是4个花瓣呢?比如如果是5个花瓣的,比如下图,那会出现什么情况?

     现在对于ABCD来讲已经稳定了,风吹不走了,但是花朵E多了一个花瓣,这个花瓣如果遇到风也会跑走,所以我们就把这个能被风吹走的花瓣叫做自由自在的花瓣,因为它不受限制。

       那如果旁边的花少一个花瓣呢?比如这样,在E这个花上少了一个花瓣。哎呀,我还真没想到叫一个合适的名字,我就直接叫半导体名字了,叫做空穴。空穴不是指花瓣,而是指没有花瓣留下的位置。

        OK,现在我们开始说半导体,将上面这个例子中涉及到的东西一一对应到半导体中。

       上面的一个花朵就是一个原子,一个花瓣就是一个电子。所以一个花朵有四个花瓣,翻译成半导体语言就是这个原子的最外层有四个电子。如果多了一个花瓣,这就是N型半导体,把多余的花瓣叫做自由电子。如果少了一个花瓣就是P型半导体,把少的那个花瓣所留下的位置叫做空穴。虽然原来都是不能导电的,但是如果在N型或者P型半导体身上加上电压,它就会导电,因为他们有自由的电子和空穴。

       这就是半导体最最基本的理论-PN结理论。那怎么才能实现P型和N型呢?就是用最简单粗暴的办法-离子植入,换句话说,就是将最外层有5个电子的元素(比如硼,磷)通过高能量的加速过程,最后轰击到半导体里面,最后就形成了N型半导体。如果将最外层有3个电子的元素(如铟等)轰击到半导体里面,最后就形成P型半导体。

       二极管原理

     那二极管是什么呢?我们设想一下这个现象,我们现在把P型和N型放在一起,如下面。

       这个时候N型里面的多余的花瓣(电子)就会往P型里面跑,P型的空穴往N型里面跑(实际上空穴是不跑的,只是相对而言,我相信你能明白)。这样就会在P型和N型之间形成一个内建电场(额,这个有点专业了,我们还是不说了)。总之你只需要知道在P型这边如果加一个正电压,在N型这边接地。如果这个电压足够大,这两端就会有电流产生,如果电压太小或者接反了,就不会有电流产生。这就是PN结的单向导电性。这里多说一句,其实当电压较小时,也是有很小的电流,或者反向电压偏大时,也会产生电流,但是那些比较专业,我们在这里就不聊了,作为行业外的人,了解这么多已经足够了,毕竟也不需要你去做研究。只要听懂别人在讲什么就够了。

       总之,大家可以简单记住一句话就可以了:正偏的时候(P型端接正电压,N型端接负电压或者地),当达到某个电压值时,PN结不导电。反偏的时候(P接负或者地,N接正电压),电压偏小,没有电流

       三极管

       三极管就是在二极管的基础上再加上一个P型或者N型半导体,变成PNP或者NPN




       三极管在使用的时候可以接三端电压,比如拿PNP来说,在左边,中间,右边分别加上电压,这样就可以通过加在N型的电压大小来控制有没有电流或者电流大小,而且还能实现电流的放大功能。关于具体怎么实现的,涉及到太多公式与物理知识,这里就不说了(如果更深入了解请留言)。

       看到这里我相信你已经了解了PN结合二极管,但是可能觉得什么也没学到,和我们常见的芯片没什么关系啊,其实这是最底层的内容,没一颗芯片在制作的时候都会考虑PN节,考虑二极管。就像是汽车产业,你虽然不知道内燃机的工作原理,但是依旧开的很稳,但是汽车没有内燃机根本跑不起来。

稿件来源:Hamxic 半导体产业园 )