半导体的导电原理详细解析-KIA MOS管
信(xin)息来源:本站 日(ri)期:2021-07-05
不(bu)含杂质的半(ban)导体称为(wei)本(ben)征(zheng)半(ban)导体。半(ban)导体硅(gui)和锗的最外层电子有四个,故而称它为(wei)四价元素,每(mei)一个外层电子称为(wei)价电子。
为了处于(yu)稳定状态(tai),单晶(jing)硅(gui)和单晶(jing)锗(zhe)中的每个原子(zi)的四个价电子(zi)都要(yao)和相(xiang)邻(lin)原子(zi)的价电子(zi)配对,形成(cheng)所谓的共价键,如图所示。
但(dan)是(shi)共价(jia)键中的(de)电(dian)子(zi)(zi)并不像绝缘体(ti)中的(de)电(dian)子(zi)(zi)结合的(de)那(nei)样紧,由(you)于能(neng)(neng)量激发(如光照、温度变(bian)化(hua)),一(yi)些电(dian)子(zi)(zi)就能(neng)(neng)挣脱原有的(de)束缚而成为(wei)自(zi)由(you)电(dian)子(zi)(zi)。
与此同时,某处(chu)共价键中失去一(yi)(yi)个电(dian)子,相应地就留下一(yi)(yi)个空位(wei),称为空穴。自由电(dian)子和空穴总(zong)是成(cheng)对出现的。
如果在本征半导体两端加以电(dian)(dian)(dian)压(ya),则会有两种数量相(xiang)等的(de)(de)运(yun)载(zai)电(dian)(dian)(dian)荷的(de)(de)粒(li)子(zi)(称作载(zai)流(liu)子(zi))产生(sheng)电(dian)(dian)(dian)流(liu)。一(yi)种是由(you)自由(you)电(dian)(dian)(dian)子(zi)向(xiang)正极移动,形成的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)电(dian)(dian)(dian)流(liu);另(ling)一(yi)种是空(kong)穴(xue)向(xiang)负(fu)极移动形成的(de)(de)空(kong)穴(xue)电(dian)(dian)(dian)流(liu)。
半导(dao)体导(dao)电(dian)(dian)原理(li):“在半导(dao)体中,只(zhi)有电(dian)(dian)子能导(dao)电(dian)(dian)”这句话对(dui)吗?可能大部(bu)分人都会(hui)认(ren)为(wei)这句话是错的。“导(dao)体和半导(dao)体的区别在于前者只(zhi)有电(dian)(dian)子参与导(dao)电(dian)(dian),而后者既(ji)有电(dian)(dian)子又有空穴参与导(dao)电(dian)(dian)”这句话对(dui)吗?可能大部(bu)分人都会(hui)认(ren)为(wei)这句话是对(dui)的。
其依据(ju)是:在半导体中同(tong)时存(cun)在二种载(zai)流(liu)子(zi):自由电(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)与空(kong)穴(xue)(xue),半导体在外电(dian)(dian)(dian)(dian)场的作用(yong)下,一方面(mian)带负电(dian)(dian)(dian)(dian)的自由电(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)定向(xiang)(xiang)移动形成电(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu),另一方面(mian)带正(zheng)电(dian)(dian)(dian)(dian)的空(kong)穴(xue)(xue)也会(hui)定向(xiang)(xiang)移动形成空(kong)穴(xue)(xue)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。
半(ban)导(dao)(dao)体(ti)中流过的总电流是(shi)这两个电流之和。事实果(guo)真如(ru)此吗? 先来看(kan)看(kan)什么是(shi)空穴?空穴就是(shi)半(ban)导(dao)(dao)体(ti)的共价(jia)键结构(gou)中应该有价(jia)电子而(er)实际(ji)上没(mei)有价(jia)电子的地方。
空穴一般在(zai)如下二(er)种情况下形成:
一是(shi)本(ben)征激发(由于(yu)半导体(ti)本(ben)身的温度不是(shi)绝对(dui)零度,半导体(ti)中的某些(xie)价电子能(neng)够获得足够的能(neng)量从而摆脱(tuo)共(gong)价键(jian)(jian)的束缚,从共(gong)价键(jian)(jian)结构中跑出来(lai)变成自(zi)由电子,在半导体(ti)的共(gong)价键(jian)(jian)结构中便产生了一个空(kong)位,形成空(kong)穴);
二(er)是P型半(ban)导体(ti)(本征(zheng)半(ban)导体(ti)中(zhong)掺入(ru)三(san)(san)价杂质元素(su)时(shi),由(you)于三(san)(san)价杂质元素(su)只能提供(gong)三(san)(san)个(ge)电子(zi),缺少一(yi)个(ge)电子(zi),在半(ban)导体(ti)的共价键结构中(zhong)便产生(sheng)了(le)一(yi)个(ge)空(kong)位,形成空(kong)穴)。
当(dang)在半导(dao)(dao)体(ti)(ti)材(cai)料的两端外(wai)加电(dian)场时(shi),一方面半导(dao)(dao)体(ti)(ti)内的自(zi)由电(dian)子(zi)在外(wai)电(dian)场的作用下会产生(sheng)定向移动,从而形(xing)成(cheng)电(dian)子(zi)电(dian)流。
另(ling)一(yi)方面在外(wai)(wai)电(dian)(dian)场(chang)的(de)作(zuo)用(yong)下半(ban)导(dao)体中(zhong)的(de)价电(dian)(dian)子(zi)(zi)也会从原来的(de)位置(zhi)跑出来成(cheng)为(wei)(wei)自(zi)由电(dian)(dian)子(zi)(zi),在外(wai)(wai)电(dian)(dian)场(chang)的(de)作(zuo)用(yong)下定向移动后又进入到另(ling)外(wai)(wai)的(de)一(yi)个空位再次成(cheng)为(wei)(wei)价电(dian)(dian)子(zi)(zi),形成(cheng)了一(yi)个不(bu)是由原半(ban)导(dao)体中(zhong)的(de)自(zi)由电(dian)(dian)子(zi)(zi)所形成(cheng)的(de)一(yi)个电(dian)(dian)子(zi)(zi)电(dian)(dian)流。
这个电(dian)流(liu)我们暂时称为“价电(dian)流(liu)”(价电(dian)流(liu)并非是(shi)价电(dian)子(zi)的(de)(de)移动形成,而是(shi)价电(dian)子(zi)成为自由(you)电(dian)子(zi)后,定向(xiang)移动一(yi)定距(ju)离(li)后又变成价电(dian)子(zi)的(de)(de)过程中所形成的(de)(de)电(dian)流(liu)”。
“价电(dian)流”实际上也是(shi)电(dian)子电(dian)流, 只不(bu)过不(bu)是(shi)我们通常认为的(de)半导(dao)体内部已经存在的(de)自由电(dian)子所形成的(de)罢了(le)。
半导(dao)(dao)体中(zhong)流(liu)(liu)过的(de)总电(dian)流(liu)(liu)实(shi)际上(shang)是电(dian)子电(dian)流(liu)(liu)与“价电(dian)子”电(dian)流(liu)(liu)共同移动(dong)所(suo)形成的(de)电(dian)流(liu)(liu),所(suo)以我们的(de)结论是:在半导(dao)(dao)体内(nei)部(bu)只能(neng)是电(dian)子能(neng)导(dao)(dao)电(dian)。这(zhei)便是半导(dao)(dao)体内(nei)部(bu)导(dao)(dao)电(dian)的(de)事实(shi)。
那么,为何(he)现行的电子技术书籍中(zhong)都会出(chu)现空(kong)穴带(dai)正电,空(kong)穴定(ding)向移动形成空(kong)穴电流这一(yi)说法呢?
实际上是从另一个角度来分析问(wen)题(ti),把“价电子(zi)”在半导体内部(bu)的定向(xiang)移(yi)动看做是空穴在向(xiang)与“价电子(zi)”移(yi)动方向(xiang)的反方向(xiang)移(yi)动。
为了(le)便(bian)于理解(jie),教材中一般都是把半导体(ti)中“价电(dian)子(zi)”的(de)移(yi)(yi)动看成是空穴(xue)在(zai)移(yi)(yi)动,价电(dian)子(zi)的(de)移(yi)(yi)动方(fang)向(xiang)(xiang)与空穴(xue)的(de)移(yi)(yi)动方(fang)向(xiang)(xiang)相(xiang)反(fan),由于价电(dian)子(zi)是带(dai)负电(dian)的(de),我们(men)就认为空穴(xue)带(dai)正电(dian)的(de)。
半导体中(zhong)流(liu)过的(de)总(zong)电(dian)流(liu)就成为了(le)带(dai)负电(dian)的(de)自(zi)由(you)电(dian)子移动所形成的(de)电(dian)子电(dian)流(liu)与带(dai)正电(dian)的(de)空(kong)穴移动所形成的(de)空(kong)穴电(dian)流(liu)之和,这便(bian)是教(jiao)材(cai)中(zhong)所描述的(de)半导体内部(bu)导电(dian)机制。
打(da)个比(bi)喻:这(zhei)就好比(bi)在戏院看戏,设戏院共有二十排(pai)(pai)(pai)座位(wei),假设每排(pai)(pai)(pai)只有一个座位(wei),从第(di)二排(pai)(pai)(pai)起到(dao)(dao)(dao)第(di)二十排(pai)(pai)(pai)都(dou)坐(zuo)满了人,只有第(di)一排(pai)(pai)(pai)无人坐(zuo),戏开演后,第(di)二排(pai)(pai)(pai)上的观众(zhong)看见第(di)一排(pai)(pai)(pai)位(wei)置无人坐(zuo),就从第(di)二排(pai)(pai)(pai)坐(zuo)到(dao)(dao)(dao)第(di)一排(pai)(pai)(pai)上去(qu),第(di)二排(pai)(pai)(pai)就出现了空位(wei),第(di)三排(pai)(pai)(pai)上的观众(zhong)又坐(zuo)到(dao)(dao)(dao)第(di)二排(pai)(pai)(pai)去(qu),
依次(ci)类推,原(yuan)来(lai)第一(yi)排是空(kong)(kong)位(wei)(wei)(wei)子(zi)(zi)(zi)(zi),后(hou)来(lai)第二(er)排是空(kong)(kong)位(wei)(wei)(wei)子(zi)(zi)(zi)(zi),再后(hou)来(lai)第三排是空(kong)(kong)位(wei)(wei)(wei)子(zi)(zi)(zi)(zi),最后(hou)的空(kong)(kong)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)出现在第二(er)十排,空(kong)(kong)位(wei)(wei)(wei)置(zhi)(zhi)从第一(yi)排到了第二(er)十排,是观众的移动造成的,位(wei)(wei)(wei)子(zi)(zi)(zi)(zi)本身(shen)并不会移动。
说的再形象点,电子好比是萝(luo)(luo)(luo)卜,空(kong)穴(xue)好比是坑,我们常(chang)常(chang)说一个萝(luo)(luo)(luo)卜一个坑,萝(luo)(luo)(luo)卜可以拔走(zou),但留下的坑确是没法动的。
因次,实际上空穴本身是不(bu)会移(yi)动的(de),更谈不(bu)上带电(dian)。我们(men)的(de)结(jie)论是:“在(zai)半导体(ti)中,只有电(dian)子能导电(dian)”这句(ju)话确确实实是正(zheng)确的(de)(第二个问(wen)题也清楚了)。
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