【科技】為什麼二極管能單向導電?


  很多人都知道二極管是可以單向導電的,也就是隻有正向的電流可以通過二極管,而反向的電流不行。然而,反向的電流真的通不過二極管嗎?二極管裏麵到底藏了什麼機關,會讓二極管具有這樣神奇的性質呢?

 

  人們最早用的二極管叫做“真空二極管”,也叫做“電子二極管”,就是大家耳熟能詳的電子管,它是靠被燈絲加熱的陰極發射電子導電的。陽極電位高於陰極時,陰極發射的電子在電場的作用下,向陽極運動形成電子流;而陰極電壓比陽極高時,電子所受到的電場力是將電子拉回陰極的,不能產生電流。

 

  我們現在常見的二極管,叫做“半導體二極管”。要了解半導體二極管,得先從矽說起。

 
上圖即為半導體二極管的一種

  我們隻要學過初中化學就能知道,矽(Si)是四價的元素。在矽形成晶體的時候,每個矽原子都與四個其它的矽原子以共價鍵相結合,也就是鑽石裏麵 的碳原子的排列方式。

 

  每根共價鍵都是由兩個矽原子共用一對電子而形成,電子就這樣被束縛住,不容易亂跑,換句話說,就是不容易掙脫束縛變成自由電子。從這個角度來說,矽應該是絕緣體。(下圖隻是為了描述方便,實際上矽晶體中各個原子並非這樣的平麵結構,而是呈正四麵體的結構,每兩根共價鍵之間的角度大約是109°28'。)




 

  但是,矽晶體裏麵的這些電子卻不被束縛得像結緣體那麼緊。當矽受熱或者受到光照,吸收了能量時,共價鍵裏的電子就有可能獲得足夠能量,掙脫束縛,形成自由電子,這樣在它原來的位置,就會形成一個空穴,這個過程稱為“本征激發”。

 

  失去了一個電子後,在微觀上這個原子就帶上正電了。在外加電場的作用下,鄰近的電子會過來填補空穴,另一個原子就出現了空穴。這樣自由電子和空穴都產生了自由移動,形成電子流和空穴流。這樣我們不妨把空穴也看成一種帶正電的“子”。

 

上圖為本征激發的示意圖

  金屬之所以導電,是因為金屬晶體裏含有大量的自由電子,可以作為電流的載體,因而被稱為載流子。在單晶矽裏麵,載流子有兩種:自由電子和空穴。帶負電的自由電子和帶正電的空穴的運動,可使得矽具有一定的導電性。因此,矽這種又有導體性質、又有結緣體性質的材料,就被稱為半導體。隨著溫度的升高,半導體中的載流子濃度呈指數增長,導電能力相應提升。

 

  自由電子有時候也會遇到空穴,這樣自由電子就又被束縛住了。這種現象叫“複合”。

 

  需要注意的是,雖然空穴的移動本質上也是電子的運動,但空穴和自由電子是不一樣的。前者是由在臨近的原子間依次傳遞而產生,也就是電子隻是去到鄰居家,並沒有獲得自由。而後者是自由的電子,就像直接離家出走、遠走高飛了一樣。

 

  即便有這兩種載流子,純矽的導電性還是很低,因為載流子數目實在是太少了。如果能增加載流子的濃度,那麼矽的導電性就會大大提高。用什麼辦法呢?摻雜!

 

  如果在矽中摻入少量五價的磷(P),那麼磷依舊會和周圍的四個矽原子形成四個共價鍵。然而,磷的最外層有5個電子,形成共價鍵隻需要4個電子,那麼剩下一個沒被束縛的電子呢?這就形成了自由電子。這樣,摻了磷之後的矽的自由電子數量大大增加。自由電子數目一多,空穴的數目就減少了很多,因為空穴與自由電子複合的概率大大增加。

 

上圖為加入微量磷之後的示意圖

  在27℃時,每立方厘米純矽約有自由電子或空穴150億個。當摻入一定的磷之後,自由電子的數目就可增加幾十萬倍,而空穴的數目會減少到每立方厘米23萬個以下。這時候,自由電子是多數載流子,簡稱多子,空穴是少數載流子,簡稱少子,摻入的雜質稱為施主雜質。這種半導體就叫電子半導體,也就是N型半導體

 

  如果純矽裏麵摻入三價的硼(B),那情況就完全反過來了。硼也會和周圍的四個矽原子結合,但是硼原子最外層隻有3個電子,這樣就缺了一個電子,形成了一個空穴。這樣,摻硼的矽裏空穴就成了多子,而自由電子就成了少子。這種半導體就叫空穴半導體,也就是P型半導體

 

 上圖為加入微量硼之後的示意圖

  P和N分別是positive和negative的縮寫,在這裏是“正”和“負”的意思,並不是說空穴很“積極”,而電子很“消極”。剛剛所說的磷和硼元素隻是舉例,其它的滿足條件的五價或三價元素也是可以的。


  基礎的東西說了那麼多,我們就要進入核心內容了。那麼當P型半導體和N型半導體相遇時,會發生什麼神奇的事呢?

 

  通常會在一塊N型半導體的局部在摻入濃度較大的三價雜質,使得這局部邊轉變成P型半導體(反之亦可)。在P型半導體和N型半導體的交界處,就會形成一個特殊的薄層,這就是對於電子技術至關重要又最為基本的——PN結

 

  在這種情況下,P型半導體和N型半導體的多數載流子都會趨向於向對方擴散。但是,我們要首先知道一個前提:在未擴散前,P型半導體和N型半導體宏觀上對外都是不顯電性的。P區的多子(空穴)會向N區擴散並與自由電子複合,N區的多子(自由電子)也會向P區擴散並與空穴複合,這樣就形成了空間電荷區,又稱耗盡層,這種運動稱為擴散運動;同時,N區的少子(電子)和P區的少子(空穴)也會向另一側運動,這種運動稱為漂移運動。當擴散運動和漂移運動達到動態平衡,P區這邊就帶上了負電,N區帶上了正電,這樣P區和N區交界處就形成了一個電場,這個電場就像一個屏障,阻止兩邊的多數載流子繼續擴散下去。電場兩端的電位差稱為接觸電位差,矽半導體的接觸電位差為0.7V,鍺半導體為0.3V。這就是PN結的原理。

 

  這個時候,如果外加一個由P區向N區的電場,也就是P區接正極、N區接負極(稱為外加正向電壓或正向偏置),那麼那麼P區和N區交界處的電場就會被削弱。當外加電壓大於接觸電位差時,擴散運動遠遠強於漂移運動,兩邊的多數載流子都能通過PN結,這個時候,PN結處於導通狀態。當外加電壓小於接觸電位差,那麼二極管就不會導通。使二極管導通的最低電壓稱為死區電壓。

 

  但如果是外加一個由N區向P區的電場(稱為反向偏置),那麼交界處的電場反而會增強,這樣更加抑製了兩邊多數載流子的擴散運動,此時漂移運動起主導作用,兩邊的少數載流子可以穿過PN結,形成微小的反向電流。但是我們剛剛已經知道,少數載流子的數量實在太少,因此這個反向電流也極小,小到我們可以認為沒有導通。這時候PN結就處於截止狀態。

 

  把這個含有PN結的東西加上引線和殼,就成了二極管。

 

  雖然我們說二極管可以單向導電,但並不是說二極管反向不能導電,隻是反向電流極小。當反向電壓大到一定程度時,反向電流會突然增大,這種現象稱為“反向擊穿”。反向電流與電壓無關,故在較大的電流變化範圍內能維持電壓的恒定,起到穩定電壓的作用,這就是穩壓二極管的工作原理。如果反向電流不是很大,那麼反向擊穿的過程是可逆的;如果電流過大(無論正向還是反向),都會使二極管發生熱擊穿而損壞。

 

  剛剛所介紹的都是矽管的工作原理。鍺同是四價元素,性質與矽相似,利用鍺(Ge)同樣可以形成PN結,製作鍺管。矽管和鍺管在各方麵參數各有優劣,使用時需要根據實際情況選用。

  在自由電子與空穴複合的時候,會釋放出能量。采用特殊材料製作PN結,就能使釋放出的能量以光能形式輸出,這就是發光二極管(LED)的原理。使用不同的材料,就能使LED發出不同顏色的光。



 

  PN結不止存在於二極管中,在三極管中也存在。三極管的工作原理比二極管更為複雜,現在就暫不具體介紹了。簡而言之,三極管就是兩個“背靠背”的PN結,故三極管根據極性可以分為NPN型和PNP型兩類。




圖為一種三極管

 

  隨著半導體技術的進步,半導體元件尺寸越來越小,因此人們就想到了將成千上萬個PN結集中到一起,以縮小設備的尺寸,這就是我們熟知的集成電路。集成電路中的主要元件除了PN結之外,就是電阻;通常電容和電感難以集成。手機、電腦……這些電子產品的電路,就包含了千千萬萬個PN結。當你閱讀這篇文章時,你的手機裏數不清的PN結就變換了數不清次數的工作狀態。