【电子】系列|猿创征文｜半导体&二极管

2022-09-10 二极管【电子】系列半导体硬件

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目录示例栏?
㈠半导体的概念
㈡本征半导体
2.1 示意图
2.2 本征半导体两种载流子
2.3 载流子的浓度
㈣杂质半导体
㈤N型半导体
㈥P型半导体
㈦二极管
7.1 伏案特性
7.2 漏电流
㈧拓展知识点
㈨

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㈠半导体的概念 半导体的导电能力是介于导体和绝缘体之间！
Ⅰ: 导体也就是可以传导电流的物质叫做导体(自身的电阻率较小)
Ⅱ: 不容易导电的物体被称之为绝缘体(电阻率较高)
区别：导体很容易导电，绝缘体不容易导电。
那么这里可能就会有小伙伴们要问了，物质为什么会进行导电呢?
其实，物质的导电性能呢如果一般是由其中的原子来决定的。原子一般会构成最小单位，被称之为是元素。一般只有低价的元素才会进行导电，如铁、铜、铝等。在外电场的作用下，这些自由电子会产生定向移动，从而产生了电流，这样的物质就具有了一定的导电性。
外电场解释：实心得金属球，假如它能够带电，那么金属球周围就会存在电场。
注意：导体是具有良好的导电性特性的，常温下内部存储了大量的自由电子。
拓展：半导体是给人类历史带来里程碑的意义的！
半导体的应用改变了我们的生活方式，用途广泛，以半导体企业 MACOM 为例来说下:半导体对我们的影响吧，MACOM 通过为光学、无线和卫星网络提供半导体技术，来满足社会对信息的需求，从而实现连通且安全的世界。通过推动各种基础设施的建设，使数百万人在生活中每时每刻沟通、旅行、获取信息和参与娱乐活动。相应的半导体技术提高了移动互联网的速度和覆盖率，让光纤网络得以向企业、家庭和数据中心传输通信。半导体技术支持的下一代雷达，可用于空中交通管制和天气预报，从而保卫所有人的安全。除了通信之外，半导体还在模拟射频、微波、毫米波和光子等方面有相关应用，可帮助我们解决网络容量、信号覆盖、能源效率和现场可靠性等问题。从中可以看出半导体对我们今天的生活影响深远。
㈡本征半导体再说二极管之前，我们先介绍一下本征半导体。
概念：纯净的不含其它杂质的就叫做本征半导体。
你可以这样去理解就仿佛是一张白纸，里面没有加上任何颜色，那它就只能是白纸。
那么每一个硅原子的旁别就会有其它的这个硅原子来形成共价键。
用于制造半导体的器件的纯硅和纯锗都是晶体结构，纯净的硅晶体是导不了电的，因为最外层一共形成了⑧个电子。

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注意?价电子是导不了电的，我们导电所靠的都是自由电子，从而产生电流。
但是，不是在绝对零度的情况下，保不其会有哪个价电子能够逃逸共价键的束缚。在热运动的作用下一旦这个价电子逃逸出来的时候，就会立马变成自由电子，它变成自由电子自身就会留下一个空穴。这种叫做是本征激发。
2.1 示意图
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这个时候电子就可以进行导电了，只不过太少的缘故。它会沿着电场的方向进行。
空穴讲解，可能有些小伙伴们会有疑问，空穴能不能导电阿。答案是：能。

由正极到负极形成电场(方向)

在电场的①个吸引力下共价键里的价电子本身会跳到没有价电子的地方去。

那个就是空穴的位置。

那么这个价电子本身就已经填补完成了，它那里就会形成空穴。

那么就会进行填补，依次填补空穴。从而就会形成相对移动，沿着电场方向走。

以上得出结论证明了?空穴也能走！
所以这里空穴实际上也是一种载流子 (载流子指的是自由移动带有电荷移动物质微粒)
当然如果你的空穴越多的话，那么导电的能力就会越好！也就是本征激发就会更多。本征激发越多的话，相对的自由电子也会越多，从而导电能力就会越好。
2.2 本征半导体两种载流子 Ⅰ：自由电子
Ⅱ：空穴
因此，在半导体当中由自由电子和空穴进行导电。
在常温下的本征半导体的载流子的浓度很低，因此导电能力就会弱。
当然除了有本征激发就还具有复合的运动。简单概述下什么是复合吧。

这个自由电子在里面"乱跑"

那么不知道什么情况下就撞到空穴里面去了。

自由电子一旦撞到空穴里面区，这一对的自由电子就会被淹灭。

自由电子又重新变成①个共价键的价电子。

以上的过程则被称之为(复合)
2.3 载流子的浓度
本征激发和复合的运动实际上就决定了载流子的浓度。
载流子的浓度和温度相关，温度越高浓度也就越高。
Ⅰ：本征激发的速度和温度有关，温度越高，本征激发的速度就越快!(因为价电子逃离了共价键的束缚越快)因为温度越高、从而导致热运动从而更加剧烈。
Ⅱ：复合的速度和浓度有相关性，温度上升时候，浓度不可能忽然跟着产生剧变。会使得载流子的浓度会越升越高。最后，浓度达到一定的情况下，复合和激发就会变得平衡，达到一种动态平衡，速度几乎一致。
㈣杂质半导体半导体材料是具有①个可掺杂性质的，就是因为这个掺杂性质才得以后面发明了，三极管、Mos 管、晶体管等，当时是花了很多时间去研究这个掺杂性质的。
本征半导体虽然存在两种载流子
Ⅰ:自由电子
Ⅱ：空穴
于是人们为了提高半导体的导电能力，在本征半导体中有控制地掺入少量地特定杂质。
㈤N型半导体 N 型半导体的英文全称是：Negative Electrcity
在本征半导体内(④价或硅 Si)的晶体当中，掺入微量微量的⑤价元素。如磷↓
磷原子最外层具有⑤个电子，因此最外层就多出来了一个自由电子(带负电)
磷的这个位置会被①个五价元素给取代，最外层中应该会具有⑤个价电子，而我们这里只有④个电子就能够形成共价键，那么还有①个价电子它就非常容易逃脱于共价键束缚!
简单的来说就是：掺入了①个磷，它就多出了①个自由电子。就会比原来浓度高。

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这里还是只有两种载流子
Ⅰ：自由电子
Ⅱ：空穴
但是和前面不一样的是：这里的自由电子变得很多。
从这里我们把自由电子称之为多子，把空穴称之为少子。这里的空穴比本征半导体的那边还少，因为自由电子变多了。
N 型半导体不具备二极管的性质也就是单向导电性！
当施加向右电场的时候，电子是向左进行运动。
当施加向左电场的时候，电子是向右进行运动。
注意：温度对这里的自由电子也就是多子关系不大，甚至可以忽略为 0。原因是：因为 N 型半导体本身里面的自由电子就已经很多了，这个时候你的温度加的多高，跟我这么多的自由电子相比其实没什么变化。
上述所说相反对少子温度影响是很大的，总之只要是少子都对温度影响很大。
㈥P型半导体为了能够让二极管具有单向导电性，又发明了 P 型半导体。
P 型半导体的英文全称是:Positive Electricity
在本征半导体内(④价或硅 Si)的晶体当中，掺入微量微量的③价元素。如硼。
磷原子最外层具有③个电子，因此最外层就出来了一个空穴(带正电)
在本征半导体当中掺入少量的③价杂质元素。

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注意?是少量即可，因为少量并不会改变它的晶体结构，掺入少量只是某些位置被硼给取而代之了。
㈦二极管
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讲解?N 型半导体有多余的自由电子、P 型半导体当中有多余的空穴。让这两种半导体进行接触就构成了 PN 结。

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接触之后会发生什么情况呢？N 区域当中的自由电子会走向 P 区当中的空穴。
最最最重要的多子的移动方向，它只能从 N 区 P 区，而不能反向流动。于是这个时候就展示出了二极管的单向导电性。
注意：PN 结是自然形成的不需要加电。
在 N 型半导体当中磷原子失去了电子所以带的是正电，P 型半导体当中硼原子得到的电子所以带的是负电。这就在 PN 结之间形成内建电场，内建电场阻碍自由电子向 P 区域扩散，如果想不断的流向 P 区必须要有外加电压才行，让它突破内建电场的力。
外加正向电压的时候，P 区必须要接电源的正极，N 区连接电源的负极。只有当外加电压大于内建电场的时候电子才会源源不断的流向 P 区。
注意：使用二极管的时候一定要考虑限流电阻。
外加反向电压的话，就相当于几乎是不会导电的，这就相当于增加了内建电场。所以这就是二级管单向导电性的原理。
7.1 伏案特性拓展:锗管的正向导通电压通常在 0.2v，而硅管的正向导通电压通常在 0.5v。

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如上图所示:当硅管的正向导通电压差不多在 0.5v 的时候就会有电流，那么对于硅管来说的话这个 0.5 我们就把它当作是开启电压。通俗的来说当这个管子大于 0.5v 来说的话就会有电流，当硅管在 0~0.5v 之间的话它是没有电流的，这一段被称之为是:死区电压。就相当于这个管子还没有打开正常的工作。
当硅管进入正向特性的时候它的伏安特性曲线是呈现出指数形的上升『随着电压的增加，但是它的电压增加的值并不是很大，但是就是会导致电流会产生一个比较大的变化』
当我们给二极管的负极给正向电压的时候，正极给反向电压的时候。这个时候就如上图所示一样二极管就是在处于反向特性状态。这个时候它是没有什么电流的，但是会有反向漏电流(微 A)存在『反向截止』。如果这里加到 Ubr 的话，那么这个时候反向电流就会急剧的开始增加，对应着这个电压值就被称之为是反向电压。利用这种特性是可以构成稳压二极管的。
7.2 漏电流
【【电子】系列|猿创征文｜半导体&二极管】例如:4001~4007 它的反向漏电流这⑦个型号差不多在⒌微安左右，反向漏电流它是能够反映出它的单向导电性的好环的。当然在实际上当中我们是希望它的反向漏电流是越小越好的，越小就说明它的单向导电性就越好，同时也说明了它反向＋电压的时候，是能够处于完全截止的状态的。也就是可以反映出二极管的特性:单向导电性。
拓展?反向漏电流受温度的影响是比较大的，当处于一个比较高的温度 80°~90°的时候它的一共反向漏电流会处于几十微安的值。
硅管的反向漏电流的特性是比较好的，它的单向导电性是要比锗管好一点的。
㈧拓展知识点这部分拓展知识点我想为大家介绍下最早半导体的发明人以及二极管的发明人的发明人都是哪些？

很多人以为半导体最早发明的人是法拉第，但实际上法拉第并不是发明了半导体。而是发现了半导体，发现了并不等于发明了。而在这里并不能说明"最早发明"起原因是因为－半导体并不是一个单纯的产品，也不能说是由谁发明的。在半导体被发明出的背后，有着好几种与半导体有关的效应。而之所以人们会发现半导体现象，是因为法拉第发现了半导体最主要的原理，因此才揭开了半导体的神秘面纱。之后法国的一名科学家贝莱尔又发现了光生伏特效应，英国的科学家史密斯发现了光电导效应，这几个效应相结合才产生了半导体。

但是可以说正式发明半导体是"贝尔实验室"，当然法拉第在里面的功劳可以说是功不可没的。就是因为有了法拉第的发现才使得半导体的研制有了可能。

介绍完半导体我们再来说说二极管。二极管的发明人是英国科学家弗莱明，1884 年，弗莱明出访美国时拜会了爱迪生，共同讨论了电发光的问题。爱迪生发现了热电子发射现象，弗莱明立刻意识到这是一个重大的技术发现，弗莱明亲自做了实验，还找到爱迪生共同研讨有关热电子发射的问题。
并推测“爱迪生效应”的背景可能就是由阴极射向阳极的单向电子流，他根据自己对“爱迪生效应”的理解，设计制造了世界上第一只电子二极管，也是人们后来所说的“真空二极管”。真空二极管的发明标志着人类进入了无线电时代。并于 1904 年 11 月 16 日在英国取得专利。

㈨那么此时小伙伴们或许有个疑问？为什么电流是正向移动，电子是反向的。
其实这个是历史遗留问题，最开始定义电流和电子就是如此。所以可能刚学会有不理解

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