【趣味學習思考筆記】半導體為什么能單向導電?

當學習時發揮想象力去用心思考,會有意想不到的收獲,理解得更加舒坦。

一,本征半導體

半導體常用硅鍺做成。

它們共用電子對形成共價鍵結構完全純凈的晶體半導體。

這就是本征半導體


這時候,將電子當做學生,將原子核當做座位

就相當于一個排列整齊的教室,每個座位上坐滿了學生。


這個教室要很安靜整齊時是沒有人走動的。

這種情況下半導體不導電


而想要教室安靜整齊需要一個前提:學生要對溫度感到舒服

這個溫度就是絕對零度


而一旦溫度上升,太熱了,就會有學生忍不住亂跑。

即電子脫離共價鍵束縛變成自由電子。


學生跑了,原地留下空座位,

即共價鍵上留下空位,稱為空穴


有些學生看到空座位就也坐不住了,到處換座位玩。

這就是在外電場作用下,空穴吸引附近電子填補,相當于空穴遷移,或正電荷的移動,形成空穴電流,此時空穴就算是載流子。


另外由于溫度太高不舒服的學生,在教室跑向舒服的地方。

這就是自由電子做定向移動,形成了電子電流。


所以,溫度越高,離開座位的學生就越多。

從而載流子的濃度越高,導電能力越強。


二、雜質半導體


在上述理論下

一間教室,被加入了學生或空座椅,會導致教室體系的改變

同樣,在本征半導體摻入雜質,會引起導電性能變化。


教室加入一大堆學生,座椅就不夠,所以會有學生跑動。

這就是N型半導體,由于添加了磷原子提供了多余的自由電子,而導致自由電子濃度遠大于空穴濃度。


教室加入一大堆座椅,學生就不安分,會換座位玩。

這就是P型半導體,由于添加硼院子缺少電子形成了大量多余的空穴。


(為方便記憶,N型可看做消極型,加學生,學生沒有座位選擇自由,P型號可看做積極型,加座椅,學生有座位選擇自由)


盡管教室人多或走或站,但沒有具體方向,不成潮流。

所以此時無論哪一種載流占了多數,整個晶體不帶電。


三、PN結。


將教室分為兩半,一半加學生,一半加座椅,

就是一半P型半導體,一半N型,這就是PN結。


這樣學生多的會往加座椅的那邊跑,座椅多的也會盡量搬過來學生多的。

所以空穴從P區向N區擴散,自由電子從N區向P區擴散。


另外由于交界處,座椅多的全搬到學生多的一邊了,反而這里學生沒地方坐,這個就是空穴擴散在交界面形成的負空間電荷區。同理,交界處學生多的都盲目的跑到另外一邊,反而這里座位空了,這就是自由電子擴散形成的正空間電荷區。


教室這個奇葩的交界處,就這樣弄出了涇渭分明的學生座椅陣營,而且太擠都不好移動。所以空間電荷區正負離子帶電,但不能移動所以不參與到點,電阻率高。而且這個交界帶電所形成的內電場阻礙載流子擴散,所以空間電荷區也叫阻擋層。


但偶爾還是有學生或座椅擠過去,這就是漂移作用。


越是教室中間擠得人和座椅越多,就越有人拼命擠過去,這就是內電場越強,漂移作用加強,于是最終它和擴散作用達到一個平衡。PN結就處于相對穩定。


四、PN結單向導電


很簡單,校方察覺到這樣不合理,于是對教室改革。

他們用力的方向如果和交界處座椅學生想要去的方向相反,但因為他們力氣大,所以就打破了這層交界,于是開始導電。

他們如果用力方向相同,推著學生課桌們繼續對著擠,這層交界的范圍反而會擴大,從而更加擁堵,所以就形成了極大的電阻。

這就是為什么半導體單向導電啦!



將這份思考筆記發給老師看后,收到了這樣的回復

你看,就這樣自己又給自己創造了一個可以說的故事。

越努力越幸運

越用心越幸福

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