芯片半导体基础(二) ：20世纪最伟大的发明，PN结与晶体二极管

liwen01 2025.01.12

前言

PN结 是晶体管的基础，它使得晶体管能够作为一个放大或是开关元器件。晶体管的发明不仅是一个技术上的突破，也标志着电子学的一个新时代。它极大地推动了科技和社会的发展，奠定了现代信息技术的基础，因此也被认为是20世纪最伟大的发明之一。

1947年贝尔实验室发明了第一个锗晶体管，20世纪50年代末硅晶体管开始被商化。现在每年全球生产的芯片数量超过千亿颗，而且在一些复杂的芯片中，一颗芯片就包含几亿到几百亿个晶体管。而这一切，都还得从PN结说起。

(一)硅元素

硅是目前芯片中使用最广泛的材料，为什么不使用锗或者是其它的材料？它有什么独特的特性和优势？

(1)元素周期表中的硅

硅是元素周期表中的第14号元素，被划分为类金属。

在元素周期表中，我们知道：

• 周期表上同属一列的元素，最外层电子的状态往往非常相似。
• 最外层电子数决定了元素的基本性质。

锗是32号元素，它与硅位于同一列，与硅最外层拥有一样的电子数，基本性质也与硅相似。

1947年贝尔实验室的约翰·巴丁(John Bardeen)、沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)和威廉·肖克利(William Shockley)发明了第一个晶体管:点接触晶体管(point-contact transistor)，它是基于锗材料制作的。

锗作为半导体材料，在自然界中相对比较稀缺，而且提炼成本较高。

但硅是地球上最丰富的元素之一(沙子的组成元素)，而且硅的热稳定性较好，能够承受较高的温度，所以后来的芯片基本上都是采用硅作为材料。

(2)硅的原子结构

硅Si原子带14个电子，第一层2个电子，第二层8个，最外层4个电子。由于外层电子受原子核的束缚力最小，称为价电子，有几个价电子就称为几价元素，因此硅是四价元素。

为了更方便地了解价电子的作用，通常把原子核和内层电子看做一个整体，称为惯性核；由于整个原子呈中性，惯性核带+4单位正电荷，这样惯性核与外层价电子就构成一个简化的原子结构模型，如上图右。

根据原子理论：原子外层电子数达到8个才能处于稳定状态。因此当Si原子组成单晶体后，每个原子都必须从四周相邻原子得到4个价电子才能组成稳定状态。

实际上单晶体的最终结构是一个四面体，每一个Si原子周围都有四个邻近的同类原子。

单晶体中的各原子之间有序、整齐地排列在一起，原子之间靠得很近，价电子不仅受本原子的作用，还要受相邻原子的作用。

即每一个价电子都被相邻原子核所共有，每相邻两个原子都共用一对价电子，形成共价键结构

纯净的、不含杂质的半导体叫做本征半导体。在热力学温度T=0 K，且无外界其他能量激发时，硅Si的价电子全部被束缚在共价键中，没有可以自由运动的带电粒子，此时的硅晶体相当于绝缘体。

在常温下，如果没有光照，硅晶体的导电性也非常差。

(3)硅中掺入磷元素

磷是15号元素，最外层有5个电子。 在本征硅中掺入少量的磷，就得到了Negative(N)型半导体。

这时，杂质原子(磷)替代了晶格中的某些硅原子，它的四个价电子和周围四个硅原子组成共价键，而多出的一个价电子只能位于共价键之外而成为自由电子，杂质原子则变成带正电荷的离子，称为施主离子。

(4)硅中掺入硼元素

硼是第5号元素，它最外层只有3个电子。在本征硅中掺入少量的硼就得到Positive(P)型半导体。

这时，杂质原子(硼)替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和周围四个硅原子组成共价键，少了一个价电子，从而产生一个空穴, 杂质原子则变成带负电荷的离子，称为受主离子。

(二)PN结

在一块本征硅左边掺入硼形成P型半导体，右边掺入磷形成N型半导体。 如果我们使用带电离子来表示，它就是下面这个样子：

P 型半导体和 N 型半导体有机地结合在一起时，因为 P 区一侧空穴多，N 区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。

由于存在浓度差，所以P区中的空穴会向 N 区扩散，并在 N 区被电子复合；而 N 区中的电子也会向 P 区扩散，并在 P 区被空穴复合。

这样在 P 区和 N 区的交界处分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子，通常称这个正负离子层为PN结(上图白色区域)

PN 结的 P 区一侧带负电，N 区一侧带正电，于是 PN 结便产生了一个内电场E，内电场的方向从 N 区指向 P 区。内电场对扩散运动起到阻碍作用，电子和空穴的扩散运动随着内电场的加强而逐步减弱，直至平衡稳定。

(三)PN结的单向导通性

(1)正向偏置

给PN结两端加正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，此时称PN结为正向偏置。

这时，PN结外加电场E1与内电场E方向相反，当外电场E1逐渐变大时，外加电场E1会部分抵消内电场E，使空间电荷区(PN结)变小。

在外部电场E1大于内电场E时，PN结消失。

在外部电场E1的作用下，电子与P区的空穴进行复合，并朝电源正极移动，最终形成定向流动的电子(电流)，需要注意的是电流方向与电子运动方向是相反的。

外加电场越强，正向电流越大，这意味着PN结的正向电阻变小。

(2)反向偏置

给PN结两端加反向电压，即电源正极接N区，负极接P区，称为PN结的反向偏置。

这时外加电场E1与内电场E方向相同，使内电场的作用增强，PN结变大，

N区的电子受到电场力的作用下朝右向电源正极移动，这时N区的电子无法跨过PN结到达P区，电路处于断开状态，即PN结反向电阻很大。

(四)晶体二极管

在一块本征硅Si晶体中的两端分别掺入磷N和硼P元素，在两种不同掺杂的交界处，就会形成一个PN结，这也就是晶体二极管的构成，PN结的特性，也就决定了二极管的特性。

在一个PN结两端加上两根外引线，然后用塑料、玻璃或铁皮等材料做外壳封装，就成为了一个最简单的二极管。

其中，正极从P区引出，称为阳极；负极从N区引出，称为阴极。

二极管比较常用的功能有：整流、钳位、限幅和保护电路

(1)二极管的整流作用

利用二极管的单向导通性，可以通过桥接4个二极管，将交流电变成直流电，实现电能的全部利用。

上图左边输入的是交变电流

• 在(a)图中，输入电流从上边正极向右到达D点，由于二极管的单向导通性，它只能通过D2,到达A点，经过负载电灯到达B点，再经过D3二极管到达C点后回到电源的负极，形成了一个环路。
• 在(b)图中，输入电流从下边正极到C点，经过D4二极管到达A点，经过电灯负载到达B点再经过D1二极管到达D点回到电源的负极形成一个环路。

对于负载灯泡而言，不管输入的是交变电流的正半部分还是负半部分，电流都是从A流向B，从而实现了电能的全部使用。

(2)二极管的钳位保护作用

在许多电路中，特别是在微控制器(MCU)或其他敏感设备的输入端，我们需要保护它们不受到过高电压的干扰。例如，假设某个设备的输入端只能承受最大3.3V的电压，如果外部信号电压大于这个值，可能会损坏设备。

二极管的钳位作用依赖于二极管的导通和截止特性。当输入信号的电压超过某个阈值时，二极管会导通，将多余的电压钳制在某一特定值。根据二极管的极性、连接方式及电路的设计，钳位点可以设定为正向或反向。

• 假设上图VDD电压为：3.3V
• 二极管的单向导通电压为：0.5V
• 芯片引脚最大电压输入范围-1.0V~3.9V

上图a中，如果输入端A点电压大于3.8V(3.3+0.5)，D1 二极管会导通，如果输入端A点的电压继续增大，此时芯片11引脚B点的电压会保持在3.8V,避免过高的电压把芯片引脚烧坏。

上图b中，如果A点输入的是负电压，如果电压小于-0.5V,此时D2 二极管会导通,如果输入端A点的电压继续减小，此时芯片11引脚B点的电压也会保持在-0.5V。

这样就实现了将输入引脚的电压范围钳制在-0.5V ~ 3.8V的范围，从而保护芯片不会因为引脚输入的电压过高而烧坏芯片。

(五)二极管门电路

二极管与门(AND Gate)和二极管或门(OR Gate)是数字电路中最基本的逻辑门，它们通过不同的方式控制电路的开关状态，实现各种逻辑运算。

与门和或门在各种电子设备和计算机的运算、决策及控制系统中发挥着至关重要的作用。

(1)二极管与电路

二极管与门(AND Gate)：仅在所有输入都为1时，输出才为1。它在实现多个条件同时成立时非常有用，广泛应用于电路的多重开关控制、时序电路和逻辑判断中。

• 若UA=0V，UB=0V，则VD1、VD2均导通，UF=0V(忽略二极管正向压降)
• 若UA=0V，UB=5V或UA=5V，UB=0V，则VD1、VD2中有一个导通，另一个截止，UF=0V。
• 若UA=5V，UB=5V，则VD1、VD2均截止，UF=5V。

它的真值表为：

输入A	输入B	输出F
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

(2)二极管或门

二极管或门(OR Gate): 只要任一输入为1，输出就为1。它在实现任意条件成立时非常有用，常见于容错电路、选择性开关和信息传递中.

• 若UA=5V，UB=5V，则VD1、VD2均导通，UF=5V(忽略二极管正向压降)。
• 若UA=5V，UB=0V或UA=0V，UB=5V，则VD1、VD2中有一个导通，另一个截止，UF=5V。
• 若UA=0V，UB=0V，则VD1、VD2均截止，UF=0V。

它的真值表为：

输入A	输入B	输出F
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

结尾

这里对PN结和晶体二极管做了一个简单的介绍，实际它们的工作原理要复杂很多。

实际也并不是只能在硅Si晶体中掺入磷P和硼B，这里只是介绍一个常见的用法，实际应用会根据不同的特性需求掺入不同量的不同元素。

下一章将介绍双极性晶体管：晶体三极管

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