Lecture 7. 半导体与 PN 结二极管

基本物理与化学知识

对于电荷（charge）来说，同性相斥异性相吸：unlike charges attract, like charges repel.

物质由原子构成，原子由 质子（proton）、中子（neutron）、电子（electron） 构成。质子和中子位于 原子核（Nucleus），具有 1 个 AMU 的质量；电子在原子核外，仅具有 1/1787 的 AMU 质量。

质子带电 $+e$，电子带电 $-e$，因此有多少质子就应该有多少电子（否则就带电了）。

原子核的直径是 $10^{-14} \operatorname{m}$ 的数量级，原子的直径是 $10^{-10} \operatorname{m}$ 的数量级。所以原子大部分空间被质量很小很小的电子占据了。

能级又称能阶，是描述微观粒子体系可能存在的相对稳定状态下，所对应一系列不连续的、分立的且确定的“内在”能量值或状态。能级理论则是一种解释原子核外电子运动轨道的理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。

固体的带隙的大小决定了材料的导电性能。绝缘体具有较大的带隙，这使得电子很难进入导带。半导体具有适中的带隙，使电子在一定条件下很容易被激发进入导带。金属具有重叠的能带，使电子能够自由移动并导电。

如图，对于绝缘体、导体、半导体，能带示意图分别如下。

就是多个原子通过共享电子，达成稳定结构（如 2.8.8..）。

像氟原子，本身具有 9 个电子。两个氟原子共享一个电子，那么就都达成了 (2+8) 的稳定结构：$\text{F}_2$ 氟单质。

半导体的 价（valence） 是 4。像硅元素，就具有 14 个电子（2+8+4），需要四个共价键才能形成八电子稳定结构。

对于硅单质（纯硅），它的结构长这样。所有电子都参与构成了共价键，不存在自由电子。因为不存在自由电子，电子无法轻松的自由移动，所以 硅单质的导电性很差。

但是，对硅单质进行加热，可以让其中的一些 价电子（valence electron） 获得能量，突破束缚，变成 传导电子（conduction electron），可自由移动。因此，温度较高的硅单质，导电性会好一些。

就是在纯硅里面加入一些磷元素。磷元素最外层是 5 个电子，相比硅元素可以提供更多的电子，从而增强导电性。

就是在纯硅里面加入一些硼元素。硼元素最外层只有 3 个电子，相比硅元素变少了，于是就会产生一些“洞”，即该有电子却缺了电子的地方（带正电）。洞变多了，那么电子的移动也就变得容易了，于是导电性就变好了。

在 n-type 硅与 p-type 硅的交汇处，二者会产生一些相互的抵消（depletion，多余的电子与多余的洞洞），于是就会形成 PN 结（pn-junction），也就是一种 diode（二极管）。

在中间这块区域，没有自由电子，没有洞洞，所以是不导电的。

那为什么说这是个单向导电的二极管呢？

因为假如通了电（方向对），那么，外部电源让把洞洞和电子重新挤在一起了，于是中间那块 不导电的区域（depletion region） 消失了，所以现在可以导电

但是假如反向通电，外部电源把洞洞和电子拆得更远了，于是中间 那块区域（depletion region） 反而变大了！更不导电了。

综上，这种二极管的 电流流向，应当是 P --> N。