【趣味学习思考笔记】半导体为什么能单向导电?

当学习时发挥想象力去用心思考,会有意想不到的收获,理解得更加舒坦。

一,本征半导体

半导体常用硅锗做成。

它们共用电子对形成共价键结构完全纯净的晶体半导体。

这就是本征半导体


这时候,将电子当做学生,将原子核当做座位

就相当于一个排列整齐的教室,每个座位上坐满了学生。


这个教室要很安静整齐时是没有人走动的。

这种情况下半导体不导电


而想要教室安静整齐需要一个前提:学生要对温度感到舒服

这个温度就是绝对零度


而一旦温度上升,太热了,就会有学生忍不住乱跑。

即电子脱离共价键束缚变成自由电子。


学生跑了,原地留下空座位,

即共价键上留下空位,称为空穴


有些学生看到空座位就也坐不住了,到处换座位玩。

这就是在外电场作用下,空穴吸引附近电子填补,相当于空穴迁移,或正电荷的移动,形成空穴电流,此时空穴就算是载流子。


另外由于温度太高不舒服的学生,在教室跑向舒服的地方。

这就是自由电子做定向移动,形成了电子电流。


所以,温度越高,离开座位的学生就越多。

从而载流子的浓度越高,导电能力越强。


二、杂质半导体


在上述理论下

一间教室,被加入了学生或空座椅,会导致教室体系的改变

同样,在本征半导体掺入杂质,会引起导电性能变化。


教室加入一大堆学生,座椅就不够,所以会有学生跑动。

这就是N型半导体,由于添加了磷原子提供了多余的自由电子,而导致自由电子浓度远大于空穴浓度。


教室加入一大堆座椅,学生就不安分,会换座位玩。

这就是P型半导体,由于添加硼院子缺少电子形成了大量多余的空穴。


(为方便记忆,N型可看做消极型,加学生,学生没有座位选择自由,P型号可看做积极型,加座椅,学生有座位选择自由)


尽管教室人多或走或站,但没有具体方向,不成潮流。

所以此时无论哪一种载流占了多数,整个晶体不带电。


三、PN结。


将教室分为两半,一半加学生,一半加座椅,

就是一半P型半导体,一半N型,这就是PN结。


这样学生多的会往加座椅的那边跑,座椅多的也会尽量搬过来学生多的。

所以空穴从P区向N区扩散,自由电子从N区向P区扩散。


另外由于交界处,座椅多的全搬到学生多的一边了,反而这里学生没地方坐,这个就是空穴扩散在交界面形成的负空间电荷区。同理,交界处学生多的都盲目的跑到另外一边,反而这里座位空了,这就是自由电子扩散形成的正空间电荷区。


教室这个奇葩的交界处,就这样弄出了泾渭分明的学生座椅阵营,而且太挤都不好移动。所以空间电荷区正负离子带电,但不能移动所以不参与到点,电阻率高。而且这个交界带电所形成的内电场阻碍载流子扩散,所以空间电荷区也叫阻挡层。


但偶尔还是有学生或座椅挤过去,这就是漂移作用。


越是教室中间挤得人和座椅越多,就越有人拼命挤过去,这就是内电场越强,漂移作用加强,于是最终它和扩散作用达到一个平衡。PN结就处于相对稳定。


四、PN结单向导电


很简单,校方察觉到这样不合理,于是对教室改革。

他们用力的方向如果和交界处座椅学生想要去的方向相反,但因为他们力气大,所以就打破了这层交界,于是开始导电。

他们如果用力方向相同,推着学生课桌们继续对着挤,这层交界的范围反而会扩大,从而更加拥堵,所以就形成了极大的电阻。

这就是为什么半导体单向导电啦!



将这份思考笔记发给老师看后,收到了这样的回复

你看,就这样自己又给自己创造了一个可以说的故事。

越努力越幸运

越用心越幸福

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