【加法笔记系列】PN 结和单向导通原理

PN 结是二极管中最基本的单向导通原理

• 化学键
  • 离子键
  • 共价键
• 元素周期表
• PN 结
  • 原理
  • 形成
  • 正向偏置
  • 反向偏置

PN 结

化学键

化学键有3种类型 ，即离子键、共价键、金属键（氢键不是化学键，它是分子间力的一种）。

— Baidu

离子键

带相反电荷离子之间的互相作用叫做离子键(Ionic Bond)，成键的本质是阴阳离子间的静电作用。

— Baidu

阳离子、阴离子通过静电作用形成的化学键称作离子键。两个原子间的电负性相差极大时，一般是金属与非金属，例如：氯与钠，若他们要结合，电负性大的氯会从电负性小的钠抢走一个电子，以符合八隅体。之后氯会以-1价的方式存在，而钠则以+1价的方式存在，两者再以库仑静电力因正负相吸而结合在一起。

— Wiki

Na 在元素周期表中为 11，意味着有 11 个质子，根据外层电子排布，分别为 2, 8, 1, 所以，Na 容易失去电子呈现 +1 ，F 同理容易得到电子，由此得到的 NaF 就形成了离子键。

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共价键

共价键（Covalent Bond）是原子间通过共用电子对（电子云重叠）而形成的相互作用

— Baidu

原子间通过共用电子形成的化学键，叫做共价键。它通过两个电负度相近的原子，例如两个氧，互相共用其外围电子以符合八隅体的键结方式结合，因此也有人说这是非金属原子间的结合方式。

— Wiki

金属键

化学键的一种，主要在金属中存在。由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。

— Baidu

极性键

极性键是在化合物分子中，不同种原子形成的共价键，由于两个原子吸引电子的能力不同，共用电子对必然偏向吸引电子能力较强的原子一方，因而吸引电子能力较弱的原子一方相对的显正电性。这样的共价键叫做极性共价键，简称极性键。

— Baidu

元素周期表

单一元素可以以共价键形式组成，如 H2，O2

NaCl 以离子键（极性键）组成。Na 电子层排布：2-8-1，Cl 电子层排布：2-8-7，一个容易失去电子，一个容易得到电子。

同位素：由于元素周期表是以质子数数量为排序依据，而未考虑中子数，所以，中子数不同，而质子数不同的元素称为同位素。

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PM 结

一块半导体晶体一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，中间二者相连的接触面称为PN结（英语：pn junction）。PN结是电子技术中许多元件，例如半导体二极管、双极性晶体管的物质基础。

— Wiki

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PM 结的基本原理

掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。

Si 电子层排布：2-8-4，纯 Si 在四周和 4 个 Si 元素共用 4 个外层电子，组成 4 个共价键，形成 4 + 4 的 8 电子数稳定结构。在此基础上，加入 B （电子排布：2-3），使其产生一个空穴。

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掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体就成为了含自由电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。

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PN 结的形成

当 PN 级结合的时候，N 极多余电子会往 P 极扩展，形成一个内电场，这个内电场叫做 PN 结，也叫阻挡层、耗尽层、空间电荷区。

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电子受到电场力作用会漂移向N级，但N级电子太多，还是会向P级扩散。两种运动形成了动态平衡，当然，不一定会像下面这个动画一样形成稳定的环形电流。

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正向偏置

电源正极接P，负极接N，电荷会重新分布

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因为载流子多而且PN结窄,所以会形成比较大的电流。

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负极电子的流入（外加电场）导致 PN 结变窄，从而使得电子的扩散运动得到增强，并形成正向电流

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反向偏置

反向偏置使得 PN 结变宽

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因为载流子少而且PN结太宽，所以电流会很小。

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• 同位素

  同位素（英语：Isotope）是某种特定化学元素之下的不同种类，同一种元素下的所有同位素都具有相同原子序数，质子数目相同，但中子数目却不同。这些同位素在化学元素周期表中占有同一个位置，因此得名。

  例如氢元素中氘和氚，它们原子核中都有1个质子，但是它们的原子核中分别有0个中子、1个中子及2个中子，所以它们互为同位素。

• 工业制硅

  工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得：

  SiO2 + 2C → Si + 2CO

• 半导体

  半导体（英语：Semiconductor）是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

• 二级管

  二极管（英语：Diode），是一种具有不对称电导的双电极电子元件[注 1]。理想的二极管在正向导通时两个电极（阳极和阴极）间拥有零电阻，而反向时则有无穷大电阻，即电流只允许由单一方向流过二极管。

References

• PN 结动画
• PN 结工作原理

更多文章访问：zhoukekestar.github.io/notes