半导体
什么是半导体
半导体(semiconductor)
半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。
硅元素
高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在单晶硅中掺入微量的第IIIA族元素,形成p型硅半导体;掺入微量的第VA族元素,形成n型和p型半导体结合在一起,就可以完成辐射能电能相互转化的装置。
掺杂
掺杂是在硅中加入一些元素形成空穴或自由电子的过程。
N型硅(Negative)
如果在硅中加入P元素,P和Si形成共价键而P的第五个价电子没有被共价键束缚,在原子周围游荡。
如果一个电压加到Si-P混合物,这个电子将会受到电场力穿过掺杂的硅片向电势高的地方移动。
P型硅(Positive)
如果在硅片中加入B元素,那么B和Si结合形成共价键,而B只有3个价电子,所以会形成空穴。
如果在这种晶片上施加电压,那么相邻电子在受到电场力的作用下来补上空穴,使得空穴向电势低的方向移动。
二极管
PN结二极管的工作原理
正向偏置
当二极管的P极连接到一个电池的正极,N连接到该电池的负极,此时N型区的电子和P型区的空穴受到电场作用向PN结推进,电子与空穴结合,电流通过二极管。
反向偏置
当二极管的P极连接到一个电池的负极,N连接到该电池的正极,此时N型区的电子和P型区的空穴受到电场作用向两端分离,阻隔电流通过二极管。
双极型晶体管
双极型晶体管是三端器件,可以用做开关或放大器。
双极型晶体管的工作原理
以NPN型晶体管为例:
当在C端施加一个正向电压,E极接地后,由于受到电场作用,C端N型硅的负电子向C端聚集,中间的P型硅的空穴向E端聚集,此时中间形成一个激发电场,和原电场大小相等方向相反,互相抵消,所以E端N型硅的电子不会受到电场作用(图左所示)。
此时若在BE极施加一个正向电压(至少0.6v),额外的电场将会使得E极N型硅的电子向P型硅聚集,越过空穴,形成电流(图左所示)。
MOS晶体管实现基本门
nMOS晶体管的工作原理
当在Gate端施加电压VDD时,受到电场的作用,在两个N型硅的中间聚集了许多电子,形成了一个有自由电子的通道Channel,此时在Source和drain施加电压,电子便在Channel的辅助下形成电流。
PMOS晶体管的工作原理
和nMOS工作机制正好对称,pMOS的Substrate的电压为VDD,此时Channel部分形成空穴管道,在Source和drain两端的电势差作用下,形成电流。
CMOS非门
CMOS与非门
CMOS或非门
CMOS传送门
其他的基本门根据布尔代数运算符的完备性可以用NOT和NAND或NOT和NOR电路组合来实现。
参考资料
[1] 数字设计和计算机体系结构 2ed
[2] Practical Electronics for Inventors 5ed