高中化学小论文.doc

半导体原理及应用的简单理解 韩问寒计算机是一个很神奇的东西，它可以完成你想看、想听的几乎任何事情的任务。当在计算机上写出令我们自己振奋的第一条小程序“Hello World”时，我们和这个精密而庞大的的世界第一次取得联系，随着交流加深，我们愈发渴望从根源剖析这个虚拟世界。计算机从几间房那么大的吃电魔鬼发展成今天可以塞进口袋，半导体集成电路是一个大功臣。提到半导体，大家肯定会立刻想到“硅”，没错，那么我们就从硅入手，猜想一下半导体的原理吧。一、 材料选定和构成原理拿出一张化学元素周期表，金属、非金属元素有序地排我们发现硅排在第14号。硅原子最外层电子数是4，它既不易得电子，也不易失电子，于是他常常与相邻原子形成共价键。价电子因束缚不能移动，此时不能导电，相当于绝缘体。但当它受光或受热时，少数电子获得能量挣脱束缚，可以自由移动，原来的位置就会少一个电子，形成“空穴”，空穴可能被邻近的电子填充，当给硅片加电压时，电子填充空穴，在原位形成又一个空穴，后面的电子再填补上去，再后面的电子跟进这样，就有电流产生了。我们初中物理中学到的半导体的定义：导电性介于到体与绝缘体之间，就很好理解了。可是我们对半导体的另一个普遍认识是半导体可以单向导电，但在这里并没有体现出来，我们可以朝这个方向继续猜想和查阅资料进行探究。锗与硅一样，位于A族，具有相似的性质，我们把这类完全纯净、有晶体结构的半导体单质称为本征半导体。要实现单向导电，就必须就必须在反向通电时形成像门一样的结构断开电路，而正向通电时自动打开。我们固然不可能加一截绝缘体来断开电路。在电路中会跑的无非是电子、离子和空穴，所以立即排除利用离子的可能性。在之前探究硅单质时，我们发现硅形成共价键时不导电，我们能不能利用这一特点呢？即反向通电时形成共价键，正向通电时形成空穴导电？在相关书籍中查找，证明想法是正确的。为了形成较多的空穴，我们可以在本征半导体中加入少量三价元素杂质，在化学元素周期表中查到A族元素。实际生产中，一般添加硼或铟。三价杂质的好处是可以得到电子形成较稳定的最外层四电子结构，是半导体中自由电子减少，空穴增多。这种半导体称为P型半导体，以空穴导电为主。只有在空穴与电子结合时才不导电，所以我们也需要自由电子导电的材料，在单质中掺进五价元素一般用磷或锑，好处是可失去一个电子形成四电子较稳定结构，增加自由电子，减少空穴。这种半导体称为N型半导体。为什么不用活泼金属元素和活泼非金属元素呢？很简单，活泼金属和活泼非金属都容易形成离子键，一般情况下不导电，所以不能用于电路。二、 从半导体到晶体管现在，我们要把P型与N型半导体合在一起，如图。电子与空穴都希望从高浓度流向低浓度，于是在交汇处形成了共价键或不能移动的带负电的杂质离子，这一区域叫PN结。PN结自由电子空穴P型半导体N型半导体图当正向通电时，如图。电子从N端流向P端，共价键和带电粒子遭到破坏，PN结变窄，电流畅通。当反向通电时，如图。电子从P端流向N端，形成更多的共价键和带电粒子，PN结变宽，电阻很大，电流极小，几乎没有。这样，单向通电的目的就达到了。IIR变窄NP电子方向图I0R变宽NP电子方向图I0这种以一个PN结构成的半导体器件就是二极管，二极管用图极其广泛，下图依次是普通二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管的电路标志。从前面的探究中可以想到，当二极管反向通电且到达一定的限度时，二极管是可以反向击穿通电的，探究后得知如下图结果。 -80-400.8O-200.4-404020击穿电压死压区UVImA正向反向IuA普通二极管在反向击穿下工作会因电流过大而损坏。但稳压二极管可在反向击穿下工作用于保证输出电压稳定。计算机是由像这样的半导体材料组建起来的，堪称当今最精密的仪器之一，