二进制实现原理之半导体基础

物体的导电性

正常情况下，我们用万用电表测量一段导线的电压或者电流，其值为0.原因是其内部的自由电子，此时并未受电场力的影响而产生定向移动。如图。

当在金属的两端加上电源的正负极，此时，导线的两段即产生了电场，自由电子由电场的负极流向正极，我们把与自由电子移动方向相反的方向定义为电流方向。此时在导线中就产生了电流。

原子组成

我们知道，自由电子带负电荷，在未受电场力的情况下，导线是不带电的，即不会向外发射电子。下图是不可能的。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-SHCCOoRH-1644932988536)(./images/ultraman.png)]
造成不带电的原因是有等价的正电荷与之对应。
根据初中化学的知识可知，一个原子由原子核及核外电子构成，其构成规律为：
从几何上说，原子核内部所带正电为一个点，名称为质子。
而核外电子围绕原子核做不规则运动，每层依次最多是2n^{2个电子。最外层不超过8个电子。这样就是初中课本中所说的2,8,8结构}

水为什么是稳定的

有了上述的知识，我们来讨论一下一种特殊的物质——水。
水是非常稳定的，初中物理告诉我们，水的比热容是最大的，也就是说水吸收的热量是最大的，这也就是为什么我们的汽车有一个水箱去冷却发动机。
这也就是说水可以吸收很多的能量，但是性质却不容易改变。
另一个例子是纯水只有通过电解之后才能生成氢气和氧气，这从另外一方面也证明只有强行给水注入能量才能使水分子发生改变。
水为什么可以如此的稳定，其原因是因为水分子结构中，质子和核外电子之间的约束是共价键。

即氢原子的核外电子与氧原子的一个核外电子共同形成。这样看来，氢原子核外有2个电子，氧原子核外有4个电子，结合上述的核外电子数规律，这种结构超稳定。

IVA族的代表——碳

接下来，我们来看一种常见的物质——碳（Carbon），碳同样也是共价键构成。只不过，碳本身核外电子数就是4个，如果一个碳原子周围围绕其他的碳原子，那么就能形成核外电子数为8的结构，也是十分稳定。例如，由碳为主要成分的墨水可以将书画作品保存千年，金刚石硬度之高可以划开玻璃等。

同样，在元素周期表上，这一族的物质都具有这种属性，因为核外电子数为4。

半导体的形成与分类

各位宝，看到没有，在IVA族里，硅在上面，锗也在上面，我们经常听到新闻里讲芯片上用的的硅片，硅管，锗管就是因为它们有共价键，非常稳定。既然非常稳定，应该像水一样，不导电才对（纯水不导电，一般说水导电是因为我们平时用的自来水是混合物，里面有离子的原因）。那为什么在计算机等一些电子行业的应用里要用到这些物质呢，这就引出了下面的话题——半导体。

P型半导体

假设采用硅作为主要材料，在中间掺杂一些三价的元素（例如硼），那么分子构成则会如下图所示。

可以看到，原本的共价键会有一个解开，其中一个位置留出了一个空穴的位置，这种类型的物质称为P型半导体。
如果此时在这种物质的两侧加上电场，立刻有电子从旁边流入，填补这个空缺，形成导电性。
在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。
由于P型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故P型半导体呈电中性。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。

N型半导体

假设采用硅作为主要材料，在中间掺杂一些五价的元素（例如磷），那么分子构成则会如下图所示。

可以看到，其中一个位置多出了一个电子，这种类型的物质称为N型半导体。
如果此时在这种物质的两侧加上电场，那个多余的电子吸收能量之后会移走，形成导电性。
由于N型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故N型半导体呈电中性。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。