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半导体导电原理(导电三)

已有 1309 次阅读 2018-9-4 17:23 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

二极管单向导电原理

                                   晏成和

上篇文章谈到了金属物质价电子少,外电子层存在电子空位,论述了电压波在空位之间传导,促成了流通、形成导电。

接下来我们要讨论半导体导电原理,半导体的导电原理也是因为有电子通路——流通,从此确立所有物质的导电原理同出一理        

 

 谈到了电子空位导电,建立了流通之说,论述了电压波的传导和金属的导电。有人会诘问:硅、锗、金刚石等物质的原子外层仅4个价电子,还有4个空位,那它们为什么不导电?石墨也是由碳原子构成,它为什么又导电呢?

(石墨导电放在后面讨论)

 

这里需要说明的是:导电是物质的整体性能,不应以单个或几个原子的状态来认识整体,电子空位是电子在价和运动时出现的暂时效应,不能以静止的眼光来看待空位,亦不能以静止的眼光来看待物质的导电。

 

  半导体    半导体一般是由4 价的硅(或者是锗,以下同)为主体材料,在硅、锗晶体中每个原子与相邻的4个原子共用外层电子组成4个结构元,四周的价和电子以均匀的速率规则绕核心而运动,从整体上看,其核外电子层是均匀饱满的,难以形成电子空位,所以很纯的单晶硅基本不导电 (电阻很大)。                                                               

 

N型半导体    在纯硅晶体中加了少量的5价元素后,就形成了N型半导体。

掺杂加入的5价元素,例如磷原子,镶嵌在硅晶体中,磷原子占据了晶体中硅原子的一个位置,磷的5个价电子参与硅中的4个价和运转,尚有1个价电子无价和轨道,这多出的一个电子并不是在外老实呆着,而是稍有机会就混杂进入别的价和运转的轨道中,参与价和运转,扰乱了原硅晶体均匀的速率,使得整个晶体中的价和电子的运转出现了拥挤和等待的紊乱现象。

有许多瞬时价和电子因途中紊乱而没有到位,于是晶体中出现了临时性的电子空位(临时性空位在晶体中占有一定概率),电压波可以乘机传导,电子可以在电压波的引导下乘虚而入,形成电子的定向流动——电流。

这样,掺杂5价元素使得硅晶体的价电子的运转出现了拥挤和等待的紊乱,使得电子空位呈现,材料导电能力增加,形成了N型半导体。

 

P型半导体  在硅晶体中加入少量的3价元素后,就形成了P型半导体。

3价元素例如硼,在价和结构中顶替了一个硅原子,因硼外层只有3个价电子,使得与硼相连的4个结构元中有一个是单电子价和运转,形成了电子空位。与这个单电子结构元相连的6个结构元相继有电子进入补充,形成了更多的电子空位,电压波乘机在电子空位间传导,引导电子换位移动形成电流。这样,掺杂3价元素使得硅晶体的导电能力较大地增加,形成了P型半导体。

与单电子结构元相连的6个结构元的外端又连着18个结构元相继有电子进入补充,这样电子空位呈2×3^n扩展,也就有更多的结构元有可能呈现电子空位。于是,该晶体的导电能力也呈几何级数增加,所以P型半导体的导电能力较好。在掺杂比例相等的情况下,P型半导体的导电能力比N型半导体要大上千倍,其实质原因就在于此。

P型半导体的电子空位是掺杂物直接带来的,不像N型半导体是由掺杂多出电子造成拥挤、混乱所形成的,所以P型的热敏性能没有N型半导体那么明显。

不管是N型还是P型半导体,其导电能力都是由电子空位提供的。电子空位则是由晶体中杂质分布而引起价和电子紊乱运行所致,所出现的电子空位是瞬时的、随机的。这也导致了半导体的“测不准”及温升、热敏、光敏等诸多物理性质。

 

二极管   把N 型和P 型半导体材料紧密结合起来外端连上导线,就形成了半导体二极管。二极管关键的部位在两种材料的结合处,人们称之为P N 结。晶体管的P N结的实质是疏通或堵塞电子空位。(图一)



     N型半导体          PN结                P型半导体

                    图一  半导体二极管             

    由于N 型半导体是5 价的磷镶嵌在硅晶体中,磷在以4 价为主体的硅结构元的连接中,有多出的电子。而在P 型半导体中是3 价的硼在以硅为主体的结构元连接中,顶替了一个硅原子的位置,在整体上则缺少电子。

把这两种晶体紧密结合,N 型半导体中多出的电子向P 型半导体中扩散。这样,在结合部附近,N 型半导体中多出的电子正好填补了P 型半导体中的电子的缺失。形成P N结。因为物质的每个电子都有原来的归属,这样的扩散不可能太远,也不稳定。所以P N结很薄,也不很稳定。存在着较少的临时电子空位,电压波还是能在其间传导。

 

在二极管中,P N结的电阻最大,P区电阻最小,N区电阻在二者之间。

如果在二极管加上反向直流电压(使电子由P流向N的电压),在电压的驱使下电子由P 极进入,经过电子空位,到了P N 结处。因为P区的电阻最小,电子流速较快,大量的电子到达P N 结处,电阻变大、运动受阻,电子就在P N 结前聚积,把P区更多的电子空位填满,使得P N结变宽,电阻更大,大到连电压波也不能导通。于是,从P极进入的电子填塞了电子空位,没有了电子空位,所以此路不通,不能导电。

 

在二极管上加上正向直流电压,(电子由N流向P的电压),在电压的驱使下,因为P区的电阻最小,P N结中的电子迅速地流向P区,打破了P N 结的平衡,使得P N结中缺少电子,形成一个新的P区。(实际上这时的P N 结已不存在,已经形成了新的P型半导体)在电压的驱使下,电子进入N 区。外电子的到来,更加剧了N 区价和电子运动的紊乱,使N区的导电能力增加,多出的电子顺利地通过了P N 结涌向P 区,因为这时P N 结已不存在,P区的电阻最小,电子在P区流动最快,不会形成淤积、堵塞,所以形成了通畅的电流。

 

综上所述,电子由P 区向N 行不通,而由N 向P 则顺利畅通,这样,就形成了二极管的单向导电性能,所以二极管可以用来整流、检波(截断反向电流)还可以利用二极管反向电阻大,在电路中起隔离作用。

 

由于N型半导体是掺杂多电子元素使规律运转的核外电子产生运动不均衡,

当电流从N流向P,在PN结处因有多出和缺少电子相连,形成了电子运动的紊乱,一些电子因外来电子的干扰,形成不了绕核电子而发生振动。PN结内没有归宿的电子如果低频振动发出红外线,半导体发热;如果掺杂材料不同,电子以较高频振动辐射出电磁波,使得半导体发光。

 

发热、发光本来是半导体导电不良的副作用,但是由于半导体发热、发光的效率高而且容易控制,于是人们制作了专门的半导体发热装置;制作了专门的发光二极管(LED)。掺杂价电子速率不同的材料,LED发光颜色不同,现在,LED已经成为了电光源材料的主角。

 

石墨结构及其导电(图二)


               图二   石墨结构及其导电


石墨是由碳原子构成,其外层有4个价电子,但是其晶体是片状石墨晶格结构,每个原子与周边的3 个原子组成平面丫字形结构元,进而结合成平面六边形结构,形成片状。而另一价电子则在两平面间作价和运转。其原子的层间间距是平面间距的二倍多,层间价和电子在途时间较长,层间电子在途时,就形成了电子空位,电压波在其间传导,电子在回路中换位移动形成电流,于是石墨就成了良好的导体,同时也构成了石墨导电体的方向性。

 

综上所述,4价物质的导电:N型半导体、P型半导体、以及石墨的导电,全都是外电子层存在电子空位,电压波在空位之间传导,促成了流通、形成导电。这样,半导体的导电原理与金属的导电完全相同。这就是大自然简单性的原则,造物主不会制作有的有自由、有的没有自由的电子;不会制作各种各样的导流子;更不会制作那些导带、禁带、势垒。所有物质的导电原理如出一辙-流通。

                    2018/8/27  整理发表

参考文献

 [1]晏成和,删除自由电子导电,科学网

http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1130095.html

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1132818.html

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2 李毅伟 杨正瓴

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