导读

图1 晶体管

就拿手机中常用的骁龙处理器来说，有着约20个亿个晶体管。

图2 骁龙处理器

晶体管可以认为是一种没有机械结构的开关。可以放大一些微弱的讯号。

图3 晶体管放大电路

空穴与电子

图4 半导体材料硅

所谓半导体，就是导电效能介于导体与绝缘体之间。

与金属相比，纯的半导体是好的绝缘体，尽管不如真正的绝缘体。

有一种半导体，叫作本征半导体，就是纯的、没有掺杂质的。

正如硅，他就是一种半导体，它的原子核外面有4个电子。

图5 硅原子

不同的硅原子，在一起紧密的联络，电子也不会随意的跑动，因而导电性一般。

图6 硅内部结构

简化一下图6，就是图7(A)显示半导体有四个电子与其他四个原子形成共价键。

一个原子的所有电子都被四个共价键所束缚，这四个共价键是共有的电子对。

电子不能在晶格中自由移动。因此，与金属相比，本征、纯半导体是相对较好的绝缘体。

共价键是什么？

百度百科：共价键(covalent bond)是化学键的一种，两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定的化学结构叫做共价键，或者说共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用。其本质是原子轨道重叠后，高概率地出现在两个原子核之间的电子与两个原子核之间的电性作用。

简单理解，就是一股力量，把电子束缚在一起。

图7 半导体内部结构

外界的热能可能会使这个稳定的结构发生变化。

如图7B所示，图中一个电子Electron跑掉了，留下一个hole，翻译成空穴。

那么其他的电子就有可能移动，来填补这个空穴；这又会产生新的空穴，又有新的电子过来填补......

电子移动发生了！

换个角度看，也可以看作是空穴在不断的移动。如果向半导体施加一个外部电场，则电子和空穴将沿相反方向传导。

图8是硅的内部结构，看起来还是相当的紧凑的。

图8 三维结构

如果把硅Si原子想象成一个四个脚的怪物，这个怪物每个脚上拿了一个电子，然后不同的Si原子相互牵手，形成一个稳定的结构。

图9 硅原子构造

所谓的掺杂技术，就是在半导体内注入其他物质。

如果我们在Si的半导体中注入磷元素，磷的外围电子有5个。多出来一个电子，那么这个电子就变成自由电子，当然导电率提升了。这被称为N型掺杂，多了一个"带负电"Negative的电子。

图10 掺杂磷

如果我们在Si的半导体中注入硼B元素，磷的外围电子有3个。多出来一个空穴，那么这个电子就变成注入这个空穴，电子动起来，当然导电率提升了。这被称为P型掺杂。

图11 掺杂硼

也就是说，电子是自由的，直到它掉进一个洞里。这叫做重组recombination。

如果向半导体施加外部电场，电子和空穴将向相反的方向传导。

升高温度会增加电子和空穴的数量，降低电阻。这与金属相反，金属的电阻随温度的增加而增加。

图12 P型和N型半导体

N型半导体中的电子流动类似于在金属中运动的电子。

N型掺杂原子将产生可用于导电的电子。

如果在图13(A)中的N型半导体棒上施加电场，则电子由左向右移动，穿过晶格。

P型半导体中的电流相对难以理解。

P型半导体中的大多数载流子是空穴。请注意，图13(B)中的电池与(A)相反。正极电池端子连线到P型半导体的左端，电子从右向左流动，返回正极。

图13 A电子向右移动；B电子向左移动，相当于空穴向右移动

当空穴向左向右移动时，实际上是电子向相反方向运动，从而产生了明显的空穴运动。

总结

参考文献：

[1] 三极管的工作原理动画演示,YouTubeLearnEngineering

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