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【科技】为什么二极管能单向导电?


  很多人都知道二极管是可以单向导电的,也就是只有正向的电流可以通过二极管,而反向的电流不行。然而,反向的电流真的通不过二极管吗?二极管里面到底藏了什么机关,会让二极管具有这样神奇的性质呢?

 

  人们最早用的二极管叫做“真空二极管”,也叫做“电子二极管”,就是大家耳熟能详的电子管,它是靠被灯丝加热的阴极发射电子导电的。阳极电位高于阴极时,阴极发射的电子在电场的作用下,向阳极运动形成电子流;而阴极电压比阳极高时,电子所受到的电场力是将电子拉回阴极的,不能产生电流。

 

  我们现在常见的二极管,叫做“半导体二极管”。要了解半导体二极管,得先从硅说起。

 
上图即为半导体二极管的一种

  我们只要学过初中化学就能知道,硅(Si)是四价的元素。在硅形成晶体的时候,每个硅原子都与四个其它的硅原子以共价键相结合,也就是钻石里面 的碳原子的排列方式。

 

  每根共价键都是由两个硅原子共用一对电子而形成,电子就这样被束缚住,不容易乱跑,换句话说,就是不容易挣脱束缚变成自由电子。从这个角度来说,硅应该是绝缘体。(下图只是为了描述方便,实际上硅晶体中各个原子并非这样的平面结构,而是呈正四面体的结构,每两根共价键之间的角度大约是109°28'。)




 

  但是,硅晶体里面的这些电子却不被束缚得像结缘体那么紧。当硅受热或者受到光照,吸收了能量时,共价键里的电子就有可能获得足够能量,挣脱束缚,形成自由电子,这样在它原来的位置,就会形成一个空穴,这个过程称为“本征激发”。

 

  失去了一个电子后,在微观上这个原子就带上正电了。在外加电场的作用下,邻近的电子会过来填补空穴,另一个原子就出现了空穴。这样自由电子和空穴都产生了自由移动,形成电子流和空穴流。这样我们不妨把空穴也看成一种带正电的“子”。

 

上图为本征激发的示意图

  金属之所以导电,是因为金属晶体里含有大量的自由电子,可以作为电流的载体,因而被称为载流子。在单晶硅里面,载流子有两种:自由电子和空穴。带负电的自由电子和带正电的空穴的运动,可使得硅具有一定的导电性。因此,硅这种又有导体性质、又有结缘体性质的材料,就被称为半导体。随着温度的升高,半导体中的载流子浓度呈指数增长,导电能力相应提升。

 

  自由电子有时候也会遇到空穴,这样自由电子就又被束缚住了。这种现象叫“复合”。

 

  需要注意的是,虽然空穴的移动本质上也是电子的运动,但空穴和自由电子是不一样的。前者是由在临近的原子间依次传递而产生,也就是电子只是去到邻居家,并没有获得自由。而后者是自由的电子,就像直接离家出走、远走高飞了一样。

 

  即便有这两种载流子,纯硅的导电性还是很低,因为载流子数目实在是太少了。如果能增加载流子的浓度,那么硅的导电性就会大大提高。用什么办法呢?掺杂!

 

  如果在硅中掺入少量五价的磷(P),那么磷依旧会和周围的四个硅原子形成四个共价键。然而,磷的最外层有5个电子,形成共价键只需要4个电子,那么剩下一个没被束缚的电子呢?这就形成了自由电子。这样,掺了磷之后的硅的自由电子数量大大增加。自由电子数目一多,空穴的数目就减少了很多,因为空穴与自由电子复合的概率大大增加。

 

上图为加入微量磷之后的示意图

  在27℃时,每立方厘米纯硅约有自由电子或空穴150亿个。当掺入一定的磷之后,自由电子的数目就可增加几十万倍,而空穴的数目会减少到每立方厘米23万个以下。这时候,自由电子是多数载流子,简称多子,空穴是少数载流子,简称少子,掺入的杂质称为施主杂质。这种半导体就叫电子半导体,也就是N型半导体

 

  如果纯硅里面掺入三价的硼(B),那情况就完全反过来了。硼也会和周围的四个硅原子结合,但是硼原子最外层只有3个电子,这样就缺了一个电子,形成了一个空穴。这样,掺硼的硅里空穴就成了多子,而自由电子就成了少子。这种半导体就叫空穴半导体,也就是P型半导体

 

 上图为加入微量硼之后的示意图

  P和N分别是positive和negative的缩写,在这里是“正”和“负”的意思,并不是说空穴很“积极”,而电子很“消极”。刚刚所说的磷和硼元素只是举例,其它的满足条件的五价或三价元素也是可以的。


  基础的东西说了那么多,我们就要进入核心内容了。那么当P型半导体和N型半导体相遇时,会发生什么神奇的事呢?

 

  通常会在一块N型半导体的局部在掺入浓度较大的三价杂质,使得这局部边转变成P型半导体(反之亦可)。在P型半导体和N型半导体的交界处,就会形成一个特殊的薄层,这就是对于电子技术至关重要又最为基本的——PN结

 

  在这种情况下,P型半导体和N型半导体的多数载流子都会趋向于向对方扩散。但是,我们要首先知道一个前提:在未扩散前,P型半导体和N型半导体宏观上对外都是不显电性的。P区的多子(空穴)会向N区扩散并与自由电子复合,N区的多子(自由电子)也会向P区扩散并与空穴复合,这样就形成了空间电荷区,又称耗尽层,这种运动称为扩散运动;同时,N区的少子(电子)和P区的少子(空穴)也会向另一侧运动,这种运动称为漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡,P区这边就带上了负电,N区带上了正电,这样P区和N区交界处就形成了一个电场,这个电场就像一个屏障,阻止两边的多数载流子继续扩散下去。电场两端的电位差称为接触电位差,硅半导体的接触电位差为0.7V,锗半导体为0.3V。这就是PN结的原理。

 

  这个时候,如果外加一个由P区向N区的电场,也就是P区接正极、N区接负极(称为外加正向电压或正向偏置),那么那么P区和N区交界处的电场就会被削弱。当外加电压大于接触电位差时,扩散运动远远强于漂移运动,两边的多数载流子都能通过PN结,这个时候,PN结处于导通状态。当外加电压小于接触电位差,那么二极管就不会导通。使二极管导通的最低电压称为死区电压。

 

  但如果是外加一个由N区向P区的电场(称为反向偏置),那么交界处的电场反而会增强,这样更加抑制了两边多数载流子的扩散运动,此时漂移运动起主导作用,两边的少数载流子可以穿过PN结,形成微小的反向电流。但是我们刚刚已经知道,少数载流子的数量实在太少,因此这个反向电流也极小,小到我们可以认为没有导通。这时候PN结就处于截止状态。

 

  把这个含有PN结的东西加上引线和壳,就成了二极管。

 

  虽然我们说二极管可以单向导电,但并不是说二极管反向不能导电,只是反向电流极小。当反向电压大到一定程度时,反向电流会突然增大,这种现象称为“反向击穿”。反向电流与电压无关,故在较大的电流变化范围内能维持电压的恒定,起到稳定电压的作用,这就是稳压二极管的工作原理。如果反向电流不是很大,那么反向击穿的过程是可逆的;如果电流过大(无论正向还是反向),都会使二极管发生热击穿而损坏。

 

  刚刚所介绍的都是硅管的工作原理。锗同是四价元素,性质与硅相似,利用锗(Ge)同样可以形成PN结,制作锗管。硅管和锗管在各方面参数各有优劣,使用时需要根据实际情况选用。

  在自由电子与空穴复合的时候,会释放出能量。采用特殊材料制作PN结,就能使释放出的能量以光能形式输出,这就是发光二极管(LED)的原理。使用不同的材料,就能使LED发出不同颜色的光。



 

  PN结不止存在于二极管中,在三极管中也存在。三极管的工作原理比二极管更为复杂,现在就暂不具体介绍了。简而言之,三极管就是两个“背靠背”的PN结,故三极管根据极性可以分为NPN型和PNP型两类。




图为一种三极管

 

  随着半导体技术的进步,半导体元件尺寸越来越小,因此人们就想到了将成千上万个PN结集中到一起,以缩小设备的尺寸,这就是我们熟知的集成电路。集成电路中的主要元件除了PN结之外,就是电阻;通常电容和电感难以集成。手机、电脑……这些电子产品的电路,就包含了千千万万个PN结。当你阅读这篇文章时,你的手机里数不清的PN结就变换了数不清次数的工作状态。