|
上篇文章谈到了金属物质价电子少，外电子层存在电子空位，论述了电压波在空位之间传导，促成了流通、形成导电。接下来我们要讨论半导体导电原理，半导体的导电原理也是因为有电子通路 ——流通 ,从此确立所有物质的导电原理同出一理。
谈到了电子空位导电，建立了流通之说，论述了电压波的传导和金属的导电。有人会诘问：矽、锗、金刚石等物质的原子外层仅 4个价电子，还有 4个空位，那它们为什么不导电？石墨也是由碳原子构成，它为什么又导电呢？ (石墨导电放在后面讨论 )
这里需要说明的是：导电是物质的整体性能，不应以单个或几个原子的状态来认识整体，电子空位是电子在价和运动时出现的暂时效应，不能以静止的眼光来看待空位，亦不能以静止的眼光来看待物质的导电。
半导体半导体一般是由 4价的矽（或者是锗，以下同）为主体材料，在矽、锗晶体中每个原子与相邻的 4个原子共用外层电子组成 4个结构元，四周的价和电子以均匀的速率规则绕核心而运动，从整体上看，其核外电子层是均匀饱满的，难以形成电子空位，所以很纯的单晶矽基本不导电 (电阻很大 )。
Ｎ型半导体在纯矽晶体中加了少量的 5价元素后，就形成了 N型半导体。掺杂加入的 5价元素，例如磷原子，镶嵌在矽晶体中，磷原子占据了晶体中矽原子的一个位置，磷的 5个价电子参与矽中的 4个价和运转，尚有 1个价电子无价和轨道，这多出的一个电子并不是在外老实呆著，而是稍有机会就混杂进入别的价和运转的轨道中，参与价和运转，扰乱了原矽晶体均匀的速率，使得整个晶体中的价和电子的运转出现了拥挤和等待的紊乱现象。有许多暂态价和电子因途中紊乱而没有到位，于是晶体中出现了临时性的电子空位 (临时性空位在晶体中占有一定概率 )，电压波可以乘机传导，电子可以在电压波的引导下乘虚而入，形成电子的定向流动 ——电流。这样，掺杂 5价元素使得矽晶体的价电子的运转出现了拥挤和等待的紊乱，使得电子空位呈现，材料导电能力增加，形成了 N型半导体。
P型半导体在矽晶体中加入少量的 3价元素后，就形成了 P型半导体。 3价元素例如硼，在价和结构中顶替了一个矽原子，因硼外层只有 3个价电子，使得与硼相连的 4个结构元中有一个是单电子价和运转，形成了电子空位。与这个单电子结构元相连的 6个结构元相继有电子进入补充，形成了更多的电子空位，电压波乘机在电子空位间传导，引导电子换位元移动形成电流。这样，掺杂 3价元素使得矽晶体的导电能力较大地增加，形成了 P型半导体。与单电子结构元相连的 6个结构元的外端又连着 18个结构元相继有电子进入补充，这样电子空位呈 2×3^ｎ扩展，也就有更多的结构元有可能呈现电子空位。于是，该晶体的导电能力也呈几何级数增加，所以 P型半导体的导电能力较好。在掺杂比例相等的情况下，P型半导体的导电能力比 N型半导体要大上千倍，其实质原因就在于此。P型半导体的电子空位是掺杂物直接带来的，不像 N型半导体是由掺杂多出电子造成拥挤、混乱所形成的，所以 P型的热敏性能没有 N型半导体那么明显。不管是 N型还是 P型半导体，其导电能力都是由电子空位提供的。电子空位则是由晶体中杂质分布而引起价和电子紊乱运行所致，所出现的电子空位是暂态的、随机的。这也导致了半导体的 “测不准 ”及温升、热敏、光敏等诸多物理性质。
二极体把 N型和 P型半导体材料紧密结合起来外端连上导线，就形成了半导体二极体。二极体关键的部位在两种材料的结合处，人们称之为 PN结。电晶体的 PN结的实质是疏通或堵塞电子空位。（图一）
N型半导体 PN结 P型半导体
图一半导体二极体
由于 N型半导体是 5价的磷镶嵌在矽晶体中，磷在以 4价为主体的矽结构元的连接中，有多出的电子。而在 P型半导体中是 3价的硼在以矽为主体的结构元连接中，顶替了一个矽原子的位置，在整体上则缺少电子。把这两种晶体紧密结合，N型半导体中多出的电子向 P型半导体中扩散。这样，在结合部附近，N型半导体中多出的电子正好填补了 P型半导体中的电子的缺失。形成 PN结。因为物质的每个电子都有原来的归属，这样的扩散不可能太远，也不稳定。所以 PN结很薄，也不很稳定。存在着较少的临时电子空位，电压波还是能在其间传导。
在二极体中，PN结的电阻最大，P区电阻最小，N区电阻在二者之间。如果在二极体加上反向直流电压（使电子由 P流向 N的电压），在电压的驱使下电子由 P极进入，经过电子空位，到了 PN结处。因为 P区的电阻最小，电子流速较快，大量的电子到达 PN结处，电阻变大、运动受阻，电子就在 PN结前聚积，把 P区更多的电子空位填满，使得 PN结变宽，电阻更大，大到连电压波也不能导通。于是，从 P极进入的电子填塞了电子空位，没有了电子空位 ,所以此路不通，不能导电。
在二极体上加上正向直流电压，（电子由 N流向 P的电压），在电压的驱使下，因为 P区的电阻最小，PN结中的电子迅速地流向 P区，打破了 PN结的平衡，使得 PN结中缺少电子，形成一个新的 P区。（实际上这时的 PN结已不存在，已经形成了新的 P型半导体）在电压的驱使下，电子进入 N区。外电子的到来，更加剧了 N区价和电子运动的紊乱，使 N区的导电能力增加，多出的电子顺利地通过了 PN结涌向 P区，因为这时 PN结已不存在，P区的电阻最小，电子在 P区流动最快，不会形成淤积、堵塞，所以形成了通畅的电流。
综上所述，电子由 P区向 N行不通，而由 N向 P则顺利畅通，这样，就形成了二极体的单向导电性能，所以二极体可以用来整流、检波（截断反向电流）还可以利用二极体反向电阻大，在电路中起隔离作用。
由于 N型半导体是掺杂多电子元素使规律运转的核外电子产生运动不均衡 ,当电流从 N流向 P，在 PN结处因有多出和缺少电子相连，形成了电子运动的紊乱，一些电子因外来电子的干扰，形成不了绕核电子而发生振动。PN结内没有归宿的电子如果低频振动发出红外线，半导体发热；如果掺杂材料不同，电子以较高频振动辐射出电磁波，使得半导体发光。发热、发光本来是半导体导电不良的副作用，但是由于半导体发热、发光的效率高而且容易控制，于是人们制作了专门的半导体发热装置；制作了专门的发光二极体（L电子速率不同的材料，LD发光颜色不同，现在，LD已经成为了电光源材料的主角。
石墨结构及其导电（图二）
图二石墨结构及其导电
石墨是由碳原子构成，其外层有 4个价电子，但是其晶体是片状石墨晶格结构，每个原子与周边的 3个原子组成平面丫字形结构元，进而结合成平面六边形结构，形成片状。而另一价电子则在两平面间作价和运转。其原子的层间间距是平面间距的二倍多，层间价和电子在途时间较长，层间电子在途时，就形成了电子空位，电压波在其间传导，电子在回路中换位元移动形成电流，于是石墨就成了良好的导体，同时也构成了石墨导电体的方向性。
综上所述，4价物质的导电：N型半导体、P型半导体、以及石墨的导电，全都是外电子层存在电子空位，电压波在空位之间传导，促成了流通、形成导电。这样，半导体的导电原理与金属的导电完全相同。这就是大自然简单性的原则，造物主不会制作有的有自由、有的没有自由的电子；不会制作各种各样的导流子；更不会制作那些导带、禁带、势垒。所有物质的导电原理如出一辙-流通。
|
