半導(dǎo)體對(duì)我們的社會(huì)產(chǎn)生了巨大的影響，在許多電子產(chǎn)品中，半導(dǎo)體是芯片和晶體管的核心。現(xiàn)如今，大多數(shù)半導(dǎo)體芯片和晶體管都是用硅制成的。

二極管是最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件，在本文中，我們將了解什么是半導(dǎo)體、摻雜的工作原理以及如何使用半導(dǎo)體制造二極管。但首先，讓我們仔細(xì)看看硅。硅是一種非常常見的元素，是沙子和石英中的主要元素。如果在元素周期表中查找“硅”，會(huì)發(fā)現(xiàn)它位于鋁旁邊，低于碳，高于鍺。

*在元素周期表中，硅位于鋁旁邊，低于碳。

碳、硅和鍺（鍺與硅一樣，也是一種半導(dǎo)體）在它們的電子結(jié)構(gòu)中具有獨(dú)特的性質(zhì)，每一種在其最外層都有四個(gè)電子。四個(gè)電子與四個(gè)相鄰原子形成完美的共價(jià)鍵，形成一個(gè)晶格。在碳中，我們知道結(jié)晶形式為金剛石。在硅中，結(jié)晶形式是一種銀色的、金屬外觀的物質(zhì)。

*在硅晶格中，所有硅原子都與四個(gè)相鄰原子完美結(jié)合，不會(huì)留下自由電子來傳導(dǎo)電流。這使得硅晶體成為絕緣體而不是導(dǎo)體。

金屬往往是良好的電導(dǎo)體，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂锌梢栽谠又g輕松移動(dòng)的“自由電子”，而電涉及電子的流動(dòng)。雖然硅晶體看起來是金屬的，但實(shí)際上它不是金屬。硅晶體中的所有外層電子都參與了完美的共價(jià)鍵，因此它們不能四處移動(dòng)。所以，純硅晶體幾乎是絕緣體，很少有電流流過它。

但是我們可以通過一個(gè)叫做“摻雜”的過程來改變這一切。

一、摻雜硅

我們可以通過摻雜改變硅的行為并將其變成導(dǎo)體。在摻雜過程中，將少量雜質(zhì)混入硅晶體中。

有兩種類型的雜質(zhì)：

N型：在N型摻雜中，將少量磷或砷添加到硅中。磷和砷各有五個(gè)外層電子，所以當(dāng)它們進(jìn)入硅晶格時(shí)，它們的導(dǎo)電性就會(huì)發(fā)生變化。第五個(gè)電子沒有什么可以結(jié)合的，所以它可以自由移動(dòng)。我們只需要摻雜非常少量的雜質(zhì)就可以產(chǎn)生足夠的自由電子，讓電流流過硅。N型硅是良導(dǎo)體，電子帶負(fù)電荷，因此命名為N型。

P型：在P型摻雜中，硼或鎵是摻雜劑。硼和鎵各自只有三個(gè)外層電子。當(dāng)它們混合到硅晶格中時(shí)，它們會(huì)在晶格中形成“空穴”，硅電子無法與之鍵合。沒有電子會(huì)產(chǎn)生正電荷的影響，因此稱為P型。空穴可以傳導(dǎo)電流，一個(gè)空穴很容易接受來自鄰居的電子，從而將空穴移動(dòng)到一個(gè)空間上。P型硅是良導(dǎo)體。

少量的N型或P型摻雜將硅晶體從良好的絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榭尚械模ǖ皇呛芎玫模?dǎo)體——因此得名“半導(dǎo)體”。

N型和P型硅本身并沒有那么神奇，但是當(dāng)你把它們放在一起時(shí)，你會(huì)在交界處得到一些非常有趣的行為，這就是二極管中發(fā)生的事情。

二極管是最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件，二極管允許電流沿一個(gè)方向流動(dòng)，但不能沿另一個(gè)方向流動(dòng)，我們可以將二極管看做是電子的單向閘門。

如圖所示*，當(dāng)你將N型和P型硅放在一起時(shí)，你會(huì)得到一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，它賦予了二極管獨(dú)特的特性。

盡管N型硅本身是導(dǎo)體，P型硅本身也是導(dǎo)體，但圖中所示的組合不導(dǎo)電。N型硅中的負(fù)電子被電池的正極吸引。P型硅中的正極孔被吸引到電池的負(fù)極端子上。沒有電流流過結(jié)，因?yàn)榭昭ê碗娮痈髯猿e(cuò)誤的方向移動(dòng)。

如果你翻轉(zhuǎn)電池，二極管導(dǎo)電就能通過。N型硅中的自由電子被電池的負(fù)極排斥。P型硅中的空穴被正極排斥。在N型和P型硅之間的結(jié)處，空穴和自由電子相遇。電子填充空穴。那些空穴和自由電子不復(fù)存在，新的空穴和電子涌現(xiàn)出來取而代之。結(jié)果就是電流能流過結(jié)。

二、二極管和晶體管

1.二極管

阻止一個(gè)方向上的電流同時(shí)讓另一個(gè)方向上的電流流動(dòng)的器件稱為二極管。二極管可以以多種方式使用，例如，使用電池的設(shè)備通常包含一個(gè)二極管，如果你相反放入電池，該二極管會(huì)保護(hù)設(shè)備。相應(yīng)的，如果線路接反了，二極管只會(huì)阻止任何電流離開電池，這可以保護(hù)設(shè)備中的敏感電子設(shè)備。

當(dāng)反向偏置時(shí)，理想二極管會(huì)阻斷所有電流。一個(gè)真正的二極管可能允許10微安通過，這不是很多，但仍然不完美。如果施加足夠的反向電壓（V），結(jié)會(huì)擊穿并讓電流通過。通常，擊穿電壓比電路所看到的電壓要高得多，因此無關(guān)緊要。

正向偏置時(shí)，需要少量電壓才能使二極管工作。在硅中，這個(gè)電壓約為0.7伏。需要該電壓來啟動(dòng)結(jié)處的空穴與電子結(jié)合過程。

2.晶體管

與二極管相關(guān)的另一項(xiàng)具有里程碑意義的技術(shù)是晶體管，晶體管和二極管有很多共同點(diǎn)。通過使用三層“夾層”，即NPN或PNP，晶體管可以充當(dāng)開關(guān)或放大器。

晶體管看起來像兩個(gè)背靠背的二極管。我們可以想象出，這種情況下沒有電流可以流過晶體管，因?yàn)楸晨勘扯O管會(huì)雙向阻斷電流。但是，當(dāng)你向夾層的中心層施加小電流時(shí)，更大的電流可以流過整個(gè)夾層。這使晶體管具有其開關(guān)行為，即小電流可以打開和關(guān)閉較大的電流。

硅芯片是一塊可以容納數(shù)千個(gè)晶體管的硅片。使用晶體管作為開關(guān)，我們可以創(chuàng)建布爾門，使用布爾門，甚至自己可以制作一個(gè)微處理器芯片。

從硅到摻雜硅，從晶體管再到芯片，科技的發(fā)展使得微處理器和其他電子設(shè)備在當(dāng)今社會(huì)變得廉價(jià)和無處不在，但其基本原理卻出奇地簡(jiǎn)單。