一直以來,我對pn的形成中的幾個細節耿耿於懷。最近和乙個小夥伴討論後,更加深了認識。
對於半導體而言,載流子的概念讓人感到迷糊。對於n型半導體,比如在si基里摻雜p原子,此時p原子外層有9個電子,其中的1個就會比較自由,可以移動,這很好理解。
而p型半導體就不怎麼好理解,摻入了b原子後,由於除了4個共價鍵之外還需要乙個電子,因此附近的某個si原子還得貢獻乙個電子出來,這樣,那個si原子就顯待正電了。此時,若有外電場,這個si原子自然是不可能動起來的,因為結構的原因,但是會把附近的附近的電子吸過來填充空穴,這樣,附近的附近的那個si原子就少了乙個電子,或者說空穴移到那裡去了,總之,雖然仍然是電子的移動,但是看起來像是空穴在移動。所以我覺得空穴的說法,只是為了形象的描述,你可以不理會這個詞,仍然從電子的移動的角度出發來分析也是可以的。
現在,為了更形象的來比喻,我假設了乙個」帶有同等價值的鈔票和欠條的人「的模型來代替原子模型。
在乙個空曠的操場上,矽人們整齊的站在操場上。每個矽人身上的錢包裡都有4元紙鈔(可以等價為原子核內電子為+4價),因為在錢包裡,所以不能隨意的移動。而手裡拿著4張面值一元的欠條,這樣他們每個人的經濟狀況是0元。由於操場上的乙個規定,每個人身邊必須有8張欠條才能穩定,因此,每個矽人選擇和自己的前後左右4個人共享兩條張欠條(共價鍵)。(這裡我們暫時不考慮站在操場方陣邊緣的矽人是如何共享的。)這時候,有一些叫做磷的人們佔據了某些矽人的位置,他們每個人身上帶有5元錢,並且手握5張一元欠條,並且也想繼續保持穩定結構。他們每個人拿出4張欠條繼續共享外,把多餘的一張放在頭頂,似乎這樣的話手邊就不是9張欠條而不是8張欠條。這時候,我們觀察他們身上的經濟狀況仍然是0元錢。這時候,如果操場上刮起來一種奇怪的風,他們可以把鈔票吹走,而把欠條吸走。由於頭頂放的是欠條,所以欠條被吸走,這些磷人好像短時間內多了一元錢。不過可惜的是,每次欠條被吸走,天空中又落下一張欠條在他們頭上,因為那是下風口的磷人的欠條被吸上來。這些隨風飄舞的欠條,形成了現金流,好吧其實是欠條流。(也就是對應的電流)。
又有一天,有一些叫做硼的人過來佔據了矽人位置,他們每個人身上有3元鈔票,和3張欠條。由於需要4張共享,他們做不到,那麼每個硼人的前後左右的其中乙個矽人說,我欠條可以給你一張(估計是從外面的矽人那裡拿來的),你用那張和我共享。這樣,硼整體顯得是虧一元錢狀態(負價離子),而那個也許在遠處默默的提供了欠條(電子)的矽人(原子)則顯得淨一元(正離子)狀態。
這裡容易想到的乙個問題是,如果這個提供電子的矽原子是硼原子的前後左右的乙個的話,就會出現問題,又或者說, 默默提供了電子的那個矽原子,自己該怎麼辦呢?自己只有三個電子了,如何和別的原子形成穩定的共價鍵?而這種情況好像在磷原子那裡並沒有問題哦 ,這是為什麼呢?類似的問題是,我們如何從磷原子的摻雜情況中延伸出硼原子的情況?
為什麼要引入空穴這個概念?我想提出概念的這個人肯定是為了後人可以方便理解,然而卻讓有的想深入理解的人反而想不透徹。
我們以乙個原子舉例,乙個原子的最外層電子由於某種原因離開了,留下乙個本來是電子佔據的位子,這樣,好像留下了乙個空穴。這樣,整個就成為了乙個正離子。
為了說明清楚,不妨假設乙個5價原子核,外層5個電子失去乙個後,成為+1價。這時,你可以理解為是乙個空穴引起的+1價。
又或者說,我們在乙個原子外部加上乙個空穴,並不是加上乙個實質的物質,而是通過去除電子實現的增加空穴的過程。
延伸而言,我們不能說,我們可以給他原子核內部加上乙個空穴,因為已經是正電荷無法去除電子。而我們可以說給外部加上乙個空穴,因為除去乙個電子,就是加上乙個空穴。
而實質是,原先達到電荷守恆的狀態中,由於乙個電子的離開,導致了+1價,這個空穴,就像是乙個腳印,乙個痕跡,說明了此前有過乙個不安分的電子,曾經讓整個電荷守恆,而它最後離開了,所以形成了空穴。所以,乙個空穴,說明了此前必然有過乙個電子。
就像乙個蘿蔔坑必然代表這裡曾經有過乙個蘿蔔。
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