电子电路原理第一章(半导体)

为了理解二极管、晶体管和集成电路的工作原理，首先必须要了解半导体。半导体是一种既不是导体也不是绝缘体的材料，其中包含自由电子和空穴，空穴的存在使半导体具有特殊的性质。在本章中，将学习半导体、空穴和其他相关内容。(注:本章节的所有电路指示图和表格图会省略)

1.1  导体

从原子结构可以判断：铜是良导体。铜原子核中包含29个质子(带正电荷),当它表现出电中性时，29个电子(带负电荷)像行星环绕太阳一样环绕着原子核运动。 电子位于不同的轨道 (又称为层)上，两个电子在第一轨道， 8个电子在第二轨道，18个电子在第三轨道，1个电子在最外层的轨道。

1.1.1   稳定轨道

带正电的原子核吸引环绕它运动的电子，而这些电子没有被拉进原子核的原因在于其圆周运动产生的(向外的)离心力，该离心力恰好等于原子核对电子的吸引力， 因此轨道是稳定的。这类似于卫星在轨道上围绕地球的运行，在合适的速度和高度下，卫星就处在一个稳定的运行轨道中。

电子轨道越大，来自原子核的吸引力就越小。在较大的轨道上，电子运动的速度较慢，产生的离心力也相对较小。所以最外层的电子运动速度就非常慢，它几乎感受不到来自原子核的吸引力。

1.1.2   核心

对于电子来说，最外层轨道最重要，称为价带轨道，它决定了原子的电特性。为了强调价带轨道的重要性，将原子核与所有内层轨道定义为原子的核心。对于铜原子来说，其核心就是原子核(+29)及其内层的三个轨道(-28)。

铜原子的核心带有+1的净电荷，这是由于它包含了29 个带正电的质子和28个带负电的内层电子。有助于理解核心和价带轨道的关系。价电子在一个很大的轨道上，其核心的净电荷仅有+1,因此价电子受到的向内的拉力很小。

1.1.3   自由电子

由于核心和价电子之间的吸引力很弱，外力可以轻易地使这个电子脱离铜原子。这就是价电子经常称为自由电子的原因，也是铜成为良导体的原因。微小的电压就可以使自由电子从一个原子流向另一个原子。最好的导体是银、铜和金。

1.2  半导体

最好的导体(银、铜和金)只有一个价电子，而最好的绝缘体有8个价电子。 半导体是电学特性介于导体和绝缘体之间的元素，最好的半导体具有4个价电子。

1.2.1   锗

锗是半导体的一个例子，它的价带轨道中有4个电子。在早期的半导体器件制造中， 锗是唯一一种适合的材料，然而锗器件存在无法克服的致命缺陷(反向电流过大，这将在后面章节中讨论)。后来，由于另一种名为硅的半导体材料的实用化，使得大多数电子应用中已不再使用锗材料。

1.2.2 硅

硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素。不过在半导体发展的早期，硅的提纯问题制约了它的应用。这个问题解决以后，硅的优点(稍后讨论)使它立刻成为了半导体材料的首选。没有硅，就没有现代电子、通信和计算机。

一个独立的硅原子有14个质子和14个电子。第一层轨道中含有2个电子，第二层轨道中含有8个电子，其余4个电子位于价带轨道上。核心部分包含原子核内14个质子和最内两层轨道的10个电子，因此共带有+4的净电荷。

知识拓展  另一个常见的半导体元素是碳(C), 它主要用来制作电阻。

1.3  硅晶体

当硅原子结合成固体时，它们的排列具有规律性，称为晶体。每个硅原子和相邻的4个硅原子共享价电子，这 样其价带轨道内便有8个价电子。例如，一个处于中心位置的硅原子和与其相邻的4个硅原子，其中带阴影的圆代表硅原子核心。虽然硅原子价带轨道原来只有4个价电子，而现在拥有了8个。

1.3.1  共价键

每个中间位置的硅原子都和每个相邻的硅原子共用一个电子，这样，中间位置的硅原子得到了4个额外的电子，使得其价带轨道填满8个电子。这些电子不再属于任何一个独立的硅原子，每个硅原子都和它相邻的原子共享电子，晶体内的所有硅原子均是如此。换句话说，硅晶体内的每个原子都有4个相邻原子。

每个原子核心都带有+4电荷。观察中间的原子核心和它右边的原子核心，这两个原子核心以大小相等方向相反的力吸引着位于它们中间的电子对这种力使硅原子结合在一起，就像拔河的两个队同时拉绳子，只要两边的拉力大小相等方向相反，他们就始终被连为一体。

由于每个共用电子都被方向相反的力拉着，该电子就成为连接在两个原子之间的键，这种化学键称为共价键。共价键的一种更简单的表示方法如在一块硅晶体中有数十亿个硅原子，每个原子都拥有8个价电子。这些价电子构成的共价键维系着整个晶体，使得晶体非常稳固。

1.3.2   价带饱和

硅晶体内每个原子的价带轨道都拥有8个电子，这8个电子的化学稳定性使得硅材料呈现固态。没有人确切知道为什么所有元素的最外层轨道都趋向于拥有8个电子。如果一 个元素最外层原来没有8个电子，那么这个元素的原子就趋向于与其他原子结合并共享电子，以使其最外层电子达到8个。

有些高等物理公式可以部分解释为什么8个电子可以使不同材料的化学性能稳定，但是没有人知道为什么8这个数会如此特殊。这是一个定律，就像万有引力定律、库仑定律及其他定律一样，我们可以观察到但却无法解释清楚。

当价带轨道填满8个电子后，它就饱和了，因为再也没有电子能够填充进这一轨道了。该定律表述为：

价带饱和  n=8

总之，价带轨道上最多不能超过8个电子。此外，这8个价电子也称为束缚电子，因为它们被原子紧紧地束缚住了。由于电子受束缚，硅晶体在室温下(大约25℃)是接近理想状态的绝缘体。

知识拓展  一个空穴和一个电子分别带有1.6×10-¹⁹库仑的电荷量，但是极性相反。

1.3.3   空穴

环境温度是指所处环境的空气温度。当环境温度高于绝对零度(-273℃)时，空气中的热能使硅晶体中的原子发生振动。环境温度越高，带来的机械振动越显著。拿起一个物体时所感觉到的热度就是原子振动的结果。

在硅晶体中，由于振动，原子偶尔会释放出一个价带轨道中的电子。这时，被释放出来的电子获得了足够多的能量可以运行在一个更大的轨道上 ， 这个电子就是自由电子  。

电子的离开使得原来的价带轨道上留下了一个空缺，称为空穴。由于电子的缺失形成了正离子，因此空穴表现出正电荷特性，会吸引并捕获其周边出现的电子。空穴的存在是导体与半导体的本质区别，空穴使得半导体可以实现导体无法实现的功能 。