liwen01 2025.01.12

前言

PN結 是晶體管的基礎，它使得晶體管能夠作為一個放大或是開關元器件。晶體管的發明不僅是一個技術上的突破，也標志著電子學的一個新時代。它極大地推動了科技和社會的發展，奠定了現代信息技術的基礎，因此也被認為是20世紀最偉大的發明之一。

1947年貝爾實驗室發明了第一個鍺晶體管，20世紀50年代末硅晶體管開始被商化。現在每年全球生產的芯片數量超過千億顆，而且在一些復雜的芯片中，一顆芯片就包含幾億到幾百億個晶體管。而這一切，都還得從PN結說起。

(一)硅元素

硅是目前芯片中使用最廣泛的材料，為什么不使用鍺或者是其它的材料？它有什么獨特的特性和優勢？

(1)元素周期表中的硅

硅是元素周期表中的第14號元素，被劃分為類金屬。

在元素周期表中，我們知道：

• 周期表上同屬一列的元素，最外層電子的狀態往往非常相似。
• 最外層電子數決定了元素的基本性質。

鍺是32號元素，它與硅位于同一列，與硅最外層擁有一樣的電子數，基本性質也與硅相似。

1947年貝爾實驗室的約翰·巴丁(John Bardeen)、沃爾特·布拉頓(Walter Brattain)和威廉·肖克利(William Shockley)發明了第一個晶體管:點接觸晶體管(point-contact transistor)，它是基于鍺材料制作的。

鍺作為半導體材料，在自然界中相對比較稀缺，而且提煉成本較高。

但硅是地球上最豐富的元素之一(沙子的組成元素)，而且硅的熱穩定性較好，能夠承受較高的溫度，所以后來的芯片基本上都是采用硅作為材料。

(2)硅的原子結構

硅Si原子帶14個電子，第一層2個電子，第二層8個，最外層4個電子。由于外層電子受原子核的束縛力最小，稱為價電子，有幾個價電子就稱為幾價元素，因此硅是四價元素。

為了更方便地了解價電子的作用，通常把原子核和內層電子看做一個整體，稱為慣性核；由于整個原子呈中性，慣性核帶+4單位正電荷，這樣慣性核與外層價電子就構成一個簡化的原子結構模型，如上圖右。

根據原子理論：原子外層電子數達到8個才能處于穩定狀態。因此當Si原子組成單晶體后，每個原子都必須從四周相鄰原子得到4個價電子才能組成穩定狀態。

實際上單晶體的最終結構是一個四面體，每一個Si原子周圍都有四個鄰近的同類原子。

單晶體中的各原子之間有序、整齊地排列在一起，原子之間靠得很近，價電子不僅受本原子的作用，還要受相鄰原子的作用。

即每一個價電子都被相鄰原子核所共有，每相鄰兩個原子都共用一對價電子，形成共價鍵結構

純凈的、不含雜質的半導體叫做本征半導體。在熱力學溫度T=0 K，且無外界其他能量激發時，硅Si的價電子全部被束縛在共價鍵中，沒有可以自由運動的帶電粒子，此時的硅晶體相當于絕緣體。

在常溫下，如果沒有光照，硅晶體的導電性也非常差。

(3)硅中摻入磷元素

磷是15號元素，最外層有5個電子。 在本征硅中摻入少量的磷，就得到了Negative(N)型半導體。

這時，雜質原子(磷)替代了晶格中的某些硅原子，它的四個價電子和周圍四個硅原子組成共價鍵，而多出的一個價電子只能位于共價鍵之外而成為自由電子，雜質原子則變成帶正電荷的離子，稱為施主離子。

(4)硅中摻入硼元素

硼是第5號元素，它最外層只有3個電子。在本征硅中摻入少量的硼就得到Positive(P)型半導體。

這時，雜質原子(硼)替代了晶格中的某些硅原子，它的三個價電子和周圍四個硅原子組成共價鍵，少了一個價電子，從而產生一個空穴, 雜質原子則變成帶負電荷的離子，稱為受主離子。

(二)PN結

在一塊本征硅左邊摻入硼形成P型半導體，右邊摻入磷形成N型半導體。 如果我們使用帶電離子來表示，它就是下面這個樣子：

P 型半導體和 N 型半導體有機地結合在一起時，因為 P 區一側空穴多，N 區一側電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。

由于存在濃度差，所以P區中的空穴會向 N 區擴散，并在 N 區被電子復合；而 N 區中的電子也會向 P 區擴散，并在 P 區被空穴復合。

這樣在 P 區和 N 區的交界處分別留下了不能移動的受主負離子和施主正離子，通常稱這個正負離子層為PN結(上圖白色區域)

PN 結的 P 區一側帶負電，N 區一側帶正電，于是 PN 結便產生了一個內電場E，內電場的方向從 N 區指向 P 區。內電場對擴散運動起到阻礙作用，電子和空穴的擴散運動隨著內電場的加強而逐步減弱，直至平衡穩定。

(三)PN結的單向導通性

(1)正向偏置

給PN結兩端加正向電壓，即P區接電源正極，N區接電源負極，此時稱PN結為正向偏置。

這時，PN結外加電場E1與內電場E方向相反，當外電場E1逐漸變大時，外加電場E1會部分抵消內電場E，使空間電荷區(PN結)變小。

在外部電場E1大于內電場E時，PN結消失。

在外部電場E1的作用下，電子與P區的空穴進行復合，并朝電源正極移動，最終形成定向流動的電子(電流)，需要注意的是電流方向與電子運動方向是相反的。

外加電場越強，正向電流越大，這意味著PN結的正向電阻變小。

(2)反向偏置

給PN結兩端加反向電壓，即電源正極接N區，負極接P區，稱為PN結的反向偏置。

這時外加電場E1與內電場E方向相同，使內電場的作用增強，PN結變大，

N區的電子受到電場力的作用下朝右向電源正極移動，這時N區的電子無法跨過PN結到達P區，電路處于斷開狀態，即PN結反向電阻很大。

(四)晶體二極管

在一塊本征硅Si晶體中的兩端分別摻入磷N和硼P元素，在兩種不同摻雜的交界處，就會形成一個PN結，這也就是晶體二極管的構成，PN結的特性，也就決定了二極管的特性。

在一個PN結兩端加上兩根外引線，然后用塑料、玻璃或鐵皮等材料做外殼封裝，就成為了一個最簡單的二極管。

其中，正極從P區引出，稱為陽極；負極從N區引出，稱為陰極。

二極管比較常用的功能有：整流、鉗位、限幅和保護電路

(1)二極管的整流作用

利用二極管的單向導通性，可以通過橋接4個二極管，將交流電變成直流電，實現電能的全部利用。

上圖左邊輸入的是交變電流

• 在(a)圖中，輸入電流從上邊正極向右到達D點，由于二極管的單向導通性，它只能通過D2,到達A點，經過負載電燈到達B點，再經過D3二極管到達C點后回到電源的負極，形成了一個環路。
• 在(b)圖中，輸入電流從下邊正極到C點，經過D4二極管到達A點，經過電燈負載到達B點再經過D1二極管到達D點回到電源的負極形成一個環路。

對于負載燈泡而言，不管輸入的是交變電流的正半部分還是負半部分，電流都是從A流向B，從而實現了電能的全部使用。

(2)二極管的鉗位保護作用

在許多電路中，特別是在微控制器(MCU)或其他敏感設備的輸入端，我們需要保護它們不受到過高電壓的干擾。例如，假設某個設備的輸入端只能承受最大3.3V的電壓，如果外部信號電壓大于這個值，可能會損壞設備。

二極管的鉗位作用依賴于二極管的導通和截止特性。當輸入信號的電壓超過某個閾值時，二極管會導通，將多余的電壓鉗制在某一特定值。根據二極管的極性、連接方式及電路的設計，鉗位點可以設定為正向或反向。

• 假設上圖VDD電壓為：3.3V
• 二極管的單向導通電壓為：0.5V
• 芯片引腳最大電壓輸入范圍-1.0V~3.9V

上圖a中，如果輸入端A點電壓大于3.8V(3.3+0.5)，D1 二極管會導通，如果輸入端A點的電壓繼續增大，此時芯片11引腳B點的電壓會保持在3.8V,避免過高的電壓把芯片引腳燒壞。

上圖b中，如果A點輸入的是負電壓，如果電壓小于-0.5V,此時D2 二極管會導通,如果輸入端A點的電壓繼續減小，此時芯片11引腳B點的電壓也會保持在-0.5V。

這樣就實現了將輸入引腳的電壓范圍鉗制在-0.5V ~ 3.8V的范圍，從而保護芯片不會因為引腳輸入的電壓過高而燒壞芯片。

(五)二極管門電路

二極管與門(AND Gate)和二極管或門(OR Gate)是數字電路中最基本的邏輯門，它們通過不同的方式控制電路的開關狀態，實現各種邏輯運算。

與門和或門在各種電子設備和計算機的運算、決策及控制系統中發揮著至關重要的作用。

(1)二極管與電路

二極管與門(AND Gate)：僅在所有輸入都為1時，輸出才為1。它在實現多個條件同時成立時非常有用，廣泛應用于電路的多重開關控制、時序電路和邏輯判斷中。

• 若UA=0V，UB=0V，則VD1、VD2均導通，UF=0V(忽略二極管正向壓降)
• 若UA=0V，UB=5V或UA=5V，UB=0V，則VD1、VD2中有一個導通，另一個截止，UF=0V。
• 若UA=5V，UB=5V，則VD1、VD2均截止，UF=5V。

它的真值表為：

輸入A	輸入B	輸出F
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

(2)二極管或門

二極管或門(OR Gate): 只要任一輸入為1，輸出就為1。它在實現任意條件成立時非常有用，常見于容錯電路、選擇性開關和信息傳遞中.

 

• 若UA=5V，UB=5V，則VD1、VD2均導通，UF=5V(忽略二極管正向壓降)。
• 若UA=5V，UB=0V或UA=0V，UB=5V，則VD1、VD2中有一個導通，另一個截止，UF=5V。
• 若UA=0V，UB=0V，則VD1、VD2均截止，UF=0V。

它的真值表為：

輸入A	輸入B	輸出F
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

結尾

這里對PN結和晶體二極管做了一個簡單的介紹，實際它們的工作原理要復雜很多。

實際也并不是只能在硅Si晶體中摻入磷P和硼B，這里只是介紹一個常見的用法，實際應用會根據不同的特性需求摻入不同量的不同元素。

下一章將介紹雙極性晶體管：晶體三極管

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