半导体在航空工业上的应用

1959-01-19戎霭伦

航空知识 1959年2期

关键词：导带空穴能级

戎霭伦

半导体，由于它具有与导体(电导率：105－106欧姆－1厘米－1)和非导体(电导率：10－15－10－10欧姆－1厘米－1)不同的“性格”因此在国防、通讯、自动化等方面开辟了新的广泛的用途，期待着更深入的探索。

常用的半导体材料有锗(Ge)、硅(Si)、及金属的氧化物、硫化物、金属间化合物等等。

一、半导体物理基础的一般介绍

(一)半导体的导电机构

在单个原子中，电子不停地绕核运动，其中最活泼的，是外围电子，称作价电子。在绝对零度时，这些电子在原子中受到原子核的束缚力而有一定的分布。这时，整个原子具有一定的能量状态，称作正常态或基态，如图1。当温度增加时(或其他条件)，价电子受到外界刺激在一定程度上克服原子核的作用力而重新分布。这时，整个原子的能量发生变化，而具有较高的能量状态，称激发态。因此，原子的能态是随着电子分布状态的变化而变化的。这种变化可以用能级图来表示。能级可以用阶梯来比喻。在绝对零度时，价电子处于阶梯最下层，原子处于基态能级。当外界条件变化，电子吸收能量由阶梯的最下层，跳到上一层时，原子处于激发态能级。

图1

当相当多的原子(例如硅)结合而成半导体时，由于各原子核电场的相互作用，使每个原子都给出它外围的价电子而形成共价键(如图2)。硅晶体是具有四重方向的共价键。在绝对零度时，既无过多的电子，又无因缺少电子而剩下的空位(称空穴)。键中的电子都牢固地被束缚在原子上，不能自由行动。因此，在绝对零度时，半导体具有非导体的性质。从能级观点来看，当原子结合成半导体时，原子中的价电子由于受到周围原子的影响，产生能量的变化，使原子的基态能级分裂成一系列相距极近的能级，这可看作是连续的，因而称作能带(图2)。在绝对零度时这能带被电子充满，所以称作满带。同理原子激发态能级也分裂成一系列相距极近的能级，而形成能带在绝对零度时，没有电子填入，称作导带。满带与导带之间的区域，因没有电子存在，称作禁带。两带间的能量差值，称禁带宽度。在此情况下，若有外电场作用于半导体，也只能使电子们在满带中相互更换所占据的能级，而不能越过禁带到达导带成为自由电子。

图2

当外界条件刺激时(例如温度增加，或强光照射)，满带中的电子吸收能量从满带跃迁到导带中成为自由电子。那么：

(1)自由电子可以在外电场的作用下，沿电场相反的方向运动如图3，而形成电子导电现象。

图中1号电子因受光的激发而成自由电子，沿电场的反方向运动。

2号电子去填充1号电子留下的空穴，而形成空穴沿电场方向运动。

图中1号电子因受光的激发而成自由电子，沿电场的反方向运动。

2号电子去填充1号电子留下的空穴，而形成空穴沿电场方向运动。

图3

(2)电子跑掉后，剩下了自由能级(或空穴)，那么它周围的电子在电场力作用下来填充这个空穴，这样一个个电子像“接力赛”似地陆续填充的结果，就形成空穴沿电场方向运动，这称空穴导电。

在半导体中，总电流是这两种混合导电的结果，这种导电称本征导电。

由此可知，要使半导体导电，首先要使满带中的电子被激发到导带中去。这个过程称作“激活”。激活后的电子或空穴称作载流子。因他们在外电场的作用下可以参与导电，所以半导体的导电性能取决于：

(1)禁带宽度。(即被激活的难易程度，宽度越大，越难被激活)。

(2)外界条件(温度……或其他)。(激活的载流子愈多则导电性能越强)。

利用条件(2)我们可以通过半导体将热的变化，光(或其他)的变化转为电流的变化，以应自动控制系统的需要。

(二)杂质对于半导体导电性能的影响

在半导体中加入少量的杂质，那么原来没有能级存在的禁带中就产生了新的附加能级。如果加入的是高价元素，那么在共价键形成后还富余电子。这时新的附加能级位于禁带的上缘(图4)称作施主能级。因为这些能级靠近导带，只要外界条件稍加刺激，电子即从这里跳到导带中而形成电子导电。这种半导体是电子型半导体，称n型半导体。如果加入的是低价元素，那么在共价键形成后还富余空穴，这时附加能级位于禁带的下缘，称作受主能级。因为它们靠近满带，当外界条件稍加刺激，满带中的电子很容易跃迁到这些空穴中，因而满带中富于空穴，而形成空穴导电，这种半导体是空穴型半导体，称P型半导体。

图4

因此我们可以用加杂质的方法来控制半导体的类型。

二、半导体在航空工业上的应用

(一)在无线电技术上的应用(半导体制成晶体管)

半导体可以制成各种无线电电子机件以代替真空管，并可在火箭、导弹等不便应用真空管的设备上，开辟得到了广泛的应用。现略述于下：

1.半导体二极管

如果我们将一小片n型半导体和一小片P型半导体紧密接触，那么在接触层电子从n型向P型半导体中迁移，与P型半导体中的空穴结合，因此P型半导体表面层因缺少正电而带负电(如图5)。同样，空穴从P型向n型半导体中迁移，与n型半导体中的电子结合，因此n型半导体表面层中因缺少电子而带正电。电子及空穴相互迁移的结果在接触层形成一电场。这电场阻止电子和空穴继续不断地迁移。因此迁移到一定的时候就达到平衡了。我们将此接触层称阻挡层。这种P型和n型的结合称作P－n结。

图5 图6

如果在P－n结上加正向电压，即P型接正极，n型接负极(图6)，那么阻挡层的阻挡作用被冲淡，阻挡层变薄，使电子及空穴容易通过，而形成自左向右的电流。因此，我们称这方向是通流方向。

如果在P－n结上加反向电压，即P型接负极，n型接正极(图7)。那么阻挡层的阻挡作用加强，阻挡层变厚，使电子及空穴更难迁移。因此电流难以通过，我们称这方向是阻流方向。

综合上面两种情况可知，若将半导体作成很薄的P－n结，那么就具有一个方向通流，一个方向阻流的作用。这种作用我们称单向导电性，利用这种性质就可以作成半导体整流器及检波器。这种机件通常可以使在大小相同的正向电压和反向电压的作用下：所产生的电流强度相差到几万倍，甚至可达到几亿倍。

利用半导体P－n结代替真空管作成的整流器或检波器，不仅它的性能好，而且还具有它独特的优越性，例如：

图7

(1)体积小(可以小到只有一粒米那样大)，重量轻(可以轻到几毫克)。

(2)用电省(例如它不需要消耗电能来加热阴极)。

(3)坚固耐震，寿命长，造价低。

在火箭导弹等航空器的各种电子计算系统中，要用到几千几万个检波器。这些检波器必须是利用半导体制成的。因为只有半导体电子机件才具有上述优点，用普通的真空管不仅庞大过重，而且不能耐震，是不能满足这种严格的要求的。

2.半导体三极管：

半导体三极管是用P－n－P型半导体制成的(或用n－P－n型半导体制成)，(图8)第一个P－n结，我们称发射结，原因是当我们加正向电压在这个结上时，那么就促使空穴由P向n迁移，因而形成载流子的发射。所以称发射结。发射结电路称发射结回路。

图8

第二个n－P结我们称收集结。原因是它可以收集载流子。例如当发射结“发射出”的空穴，在n型半导体中扩散时，如果n层很薄，那么空穴在来不及和n中的电子结合时就到达n－P结。如果在n－P结上加反向电压，那么来到的空穴就很快地被拉入到最后的P型半导体中，因而形成在收集结电路中的电流。

因此，如果将发射结和收集结联合起来看，可知收集结发射出载流子的多少，可以直接影响收集结电路中的电流大小。这就是半导体三极管用作放大器的原理。

例如，将要放大的讯号加在发射结回路中，将负载R加在收集结回路中，并在P－n结上加低值正向电压，在n－P结上加高值反向电压，图9，那么，当发射结上电压有变化时，发生的载流子数亦随之变化，收集结回路中的电流也相应地变化，负载两端的电压亦跟着变化。这样就使得原来在低电压的发射结电路中所引起的电流变化，直接变成了高电压的收集结电路中的电流变化，因而功率得到放大。