P型和N型半导体

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1、P 型和 N 型半导体 如果杂质是周期表中第族中的一种元素受主杂质，例如硼或铟，它们的价电子带都只有三个电子，并且它们传导带的最小能级低于第族元素的传导电子能级。因此电子能够更容易地由锗或硅的价电子带跃迁到硼或铟的传导带。在这个过程中，由于失去了电子而产生了一个正离子，因为这对于其它电子而言是个“空位”，所以通常把它叫做“ 空穴”，而这种材料被称为“P”型半导体。在这样的材料中传导主要是由带正电的空穴引起的，因而在这种情况下电子是“少数载流子”。如图 1 所示。N 型半导体如果掺入的杂质是周期表第 V 族中的某种元素施主杂质，例如砷或锑，这些元素的价电子带都有五个电子，然而，杂质元素价电子的最

2、大能级大于锗（或硅）的最大能级，因此电子很容易从这个能级进入第族元素的传导带。这些材料就变成了半导体。因为传导性是由于有多余的负离子引起的，所以称为 “N”型。也有些材料的传导性是由于材料中有多余的正离子，但主要还是由于有大量的电子引起的，因而（在 N 型材料中）电子被称为“多数载流子”。如图 2 所示。 P 型和 N 型半导体的应用由 P 型半导体或 N 型半导体单体构成的产品有热敏电阻器、压敏电阻器等电阻体。由 P 型与 N 型半导体结合而构成的单结半导体元件，最常见的是二极管；此外，FET 也是单结元件。PNP 或 NPN 以及形成双结的半导体就是晶体管。 （1）用于 LED LED 在

3、 20 世纪 60 年代诞生后就被认定是荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者，甚至有人认为 LED 将会开创一个新的照明时代，最终出现在所有需要照明的场合。LED 的工作原理和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同，LED 从本质上来说是一种半导体器件。 LED 的核心部分是由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片，在 P 型半导体和 N 型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的 PN 结(PN Junction Transistors)。PN 结可以对 P 型半导体和 N 型半导体中多数载流子的扩散运动产生阻力，当对 PN 结施加正向电压时，电流从 LED 的阳极流向阴极，而

4、在 PN 结中少数载流子与多数载流子进行复合，多余的能量就会转变成光而释放出来。LED 正是根据这样的原理实现电光的转换。根据半导体材料物理性能的不同，LED 可发出从紫外到红外不同波段、不同颜色的光线。 小知识:P 型半导体和 N 型半导体 如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素，就变成以空穴导电为主的半导体，即 P 型半导体。在 P 型半导体中，空穴 (带正电)叫多数载流子 ;电子(带负电)叫少数载流子。 如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的磷、锑、砷等五价元素，就变成以电子导电为主的半导体，即N 型半导体。在 N 型半导体中，电子(带负电) 叫多数载流子; 空穴(带

5、正电)叫少数载流子。 （2）在半导体热电偶中的应用 热电制冷是热电效应主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。实用的热电制冷装置是由热电效应比较显著、热电制冷效率比较高的半导体热电偶构成的。 半导体热电偶由 N 型半导体和 P 型半导体组成。N 型材料有多余的电子，有负温差电势。 P 型材料电子不足，有正温差电势；当电子从 P 型穿过结点至 N 型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反，当电子从 N 型流至 P 型材料时，结点的温度就会升高。 直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用，所以用下图的连接方法来代替，实验证明，在温差电路中引入第三种材料（铜连接片

6、和导线）不会改变电路的特性。 这样，半导体组件可以用各种不同的连接方法来满足使用者的要求。把一个 P 型半导体组件和一个 N 型半导体组件联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。 在上面的接头处，电流方向是从 N 至 P，温度下降并且吸热，这就是冷端；而在下面的一个接头处，电流方向是从 P 至 N，温度上升并且放热，因此是热端。 按图中把若干对半导体热电偶对在电路上串联起来，而在传热方面则是并联的，这就构成了一个常见的制冷热电堆。按图示接上直流电源后，这个热电堆的上面是冷端，下面是热端。借助铝散热器等各种散热手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，把热电堆的

7、冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理。图 3 是热电偶的工作原理示意图。半 导 体 ： 电 阻 率 介 于 金 属 和 绝 缘 体 之 间 并 有 负 的 电 阻 温 度 系 数 的 物 质 。 半导 体 半 导 体室 温 时 电 阻 率 约 在 10-5 107 欧 米 之 间 ， 温 度 升 高 时 电 阻 率 指 数 则 减 小 。半 导 体 材 料 很 多 ， 按 化 学 成 分 可 分 为 元 素 半 导 体 和 化 合 物 半 导 体 两 大 类 。锗 和 硅 是 最 常 用 的 元 素 半 导 体 ； 化 合 物 半 导 体 包 括 - 族 化 合 物 （ 砷

8、 化镓 、 磷 化 镓 等 ） 、 - 族 化 合 物 ( 硫 化 镉 、 硫 化 锌 等 )、 氧 化 物 (锰 、 铬 、铁 、 铜 的 氧 化 物 ),以 及 由 - 族 化 合 物 和 - 族 化 合 物 组 成 的 固 溶 体（ 镓 铝 砷 、 镓 砷 磷 等 ） 。 除 上 述 晶 态 半 导 体 外 ， 还 有 非 晶 态 的 玻 璃 半 导 体 、有 机 半 导 体 等 。 本 征 半 导 体 不 含 杂 质 且 无 晶 格 缺 陷 的 半 导 体 称 为 本 征 半 导 体 。 在 极 低温 度 下 ， 半 导 体 的 价 带 是 满 带 (见 能 带 理 论 )， 受 到

9、热 激 发 后 ， 价 带 中 的 部分 电 子 会 越 过 禁 带 进 入 能 量 较 高 的 空 带 ， 空 带 中 存 在 电 子 后 成 为 导 带 ， 价带 中 缺 少 一 个 电 子 后 形 成 一 个 带 正 电 的 空 位 ， 称 为 空 穴 （ 图 1 ） 。 导 带 中的 电 子 和 价 带 中 的 空 穴 合 称 电 子 - 空 穴 对 ， 均 能 自 由 移 动 ， 即 载 流 子 ， 它们 在 外 电 场 作 用 下 产 生 定 向 运 动 而 形 成 宏 观 电 流 ， 分 别 称 为 电 子 导 电 和 空穴 导 电 。 这 种 由 于 电 子 -空 穴 对 的

10、产 生 而 形 成 的 混 合 型 导 电 称 为 本 征 导 电 。导 带 中 的 电 子 会 落 入 空 穴 ， 电 子 -空 穴 对 消 失 ， 称 为 复 合 。 复 合 时 释 放 出 的能 量 变 成 电 磁 辐 射 （ 发 光 ） 或 晶 格 的 热 振 动 能 量 （ 发 热 ） 。 在 一 定 温 度 下 ，电 子 - 空 穴 对 的 产 生 和 复 合 同 时 存 在 并 达 到 动 态 平 衡 ， 此 时 半 导 体 具 有 一定 的 载 流 子 密 度 ， 从 而 具 有 一 定 的 电 阻 率 。 温 度 升 高 时 ， 将 产 生 更 多 的 电 子 - 空 穴 对

11、 ， 载 流 子 密 度 增 加 ， 电 阻 率 减 小 。 无 晶 格 缺 陷 的 纯 净 半 导 体 的 电 阻率 较 大 ， 实 际 应 用 不 多 。 半 导 体半 导 体 中 杂 质 半 导 体 中 的 杂 质 对 电 阻 率 的 影 响 非 常 大 。 半 导 体 中 掺 入 微 量杂 质 时 ， 杂 质 原 子 附 近 的 周 期 势 场 受 到 干 扰 并 形 成 附 加 的 束 缚 状 态 ， 在 禁带 中 产 加 的 杂 质 能 级 。 例 如 四 价 元 素 锗 或 硅 晶 体 中 掺 入 五 价 元 素 磷 、 砷 、锑 等 杂 质 原 子 时 ， 杂 质 原 子 作

12、为 晶 格 的 一 分 子 ， 其 五 个 价 电 子 中 有 四 个 与周 围 的 锗 （ 或 硅 ） 原 子 形 成 共 价 结 合 ， 多 余 的 一 个 电 子 被 束 缚 于 杂 质 原 子 附近 ， 产 生 类 氢 能 级 。 杂 质 能 级 位 于 禁 带 上 方 靠 近 导 带 底 附 近 。 杂 质 能 级 上 的电 子 很 易 激 发 到 导 带 成 为 电 子 载 流 子 。 这 种 能 提 供 电 子 载 流 子 的 杂 质 称 为施 主 ， 相 应 能 级 称 为 施 主 能 级 。 施 主 能 级 上 的 电 子 跃 迁 到 导 带 所 需 能 量 比从 价 带 激

13、 发 到 导 带 所 需 能 量 小 得 多 （ 图 2） 。 在 锗 或 硅 晶 体 中 掺 入 微 量 三 价元 素 硼 、 铝 、 镓 等 杂 质 原 子 时 ， 杂 质 原 子 与 周 围 四 个 锗 （ 或 硅 ） 原 子 形 成 共价 结 合 时 尚 缺 少 一 个 电 子 ， 因 而 存 在 一 个 空 位 ， 与 此 空 位 相 应 的 能 量 状 态 就是 杂 质 能 级 ， 通 常 位 于 禁 带 下 方 靠 近 价 带 处 。 价 带 中 的 电 子 很 易 激 发 到 杂 质能 级 上 填 补 这 个 空 位 ， 使 杂 质 原 子 成 为 负 离 子 。 价 带 中

14、由 于 缺 少 一 个 电 子 而形 成 一 个 空 穴 载 流 子 （ 图 3） 。 这 种 能 提 供 空 穴 的 杂 质 称 为 受 主 杂 质 。 存 在受 主 杂 质 时 ， 在 价 带 中 形 成 一 个 空 穴 载 流 子 所 需 能 量 比 本 征 半 导 体 情 形 要 小得 多 。 半 导 体 掺 杂 后 其 电 阻 率 大 大 下 降 。 加 热 或 光 照 产 生 的 热 激 发 或 光 激 发都 会 使 自 由 载 流 子 数 增 加 而 导 致 电 阻 率 减 小 ， 半 导 体 热 敏 电 阻 和 光 敏 电 阻 就是 根 据 此 原 理 制 成 的 。 对 掺

15、入 施 主 杂 质 的 半 导 体 ， 导 电 载 流 子 主 要 是 导 带 中的 电 子 ， 属 电 子 型 导 电 ， 称 N 型 半 导 体 。 掺 入 受 主 杂 质 的 半 导 体 属 空 穴 型导 电 ， 称 P 型 半 导 体 。 半 导 体 在 任 何 温 度 下 都 能 产 生 电 子 -空 穴 对 ， 故 N型 半 导 体 中 可 存 在 少 量 导 电 空 穴 ， P 型 半 导 体 中 可 存 在 少 量 导 电 电 子 ， 它 们均 称 为 少 数 载 流 子 。 在 半 导 体 器 件 的 各 种 效 应 中 ， 少 数 载 流 子 常 扮 演 重 要 角色 。

16、N 型 半 导 体 结 构 图PN 结 P 型 半 导 体 与 N 型 半 导 体 相 互 接 触 时 ， 其 交 界 区 域 称 为 PN 结 。 P 区中 的 自 由 空 穴 和 N 区 中 的 自 由 电 子 要 向 对 方 区 域 扩 散 ， 造 成 正 负 电 荷 在 PN 结 两 侧 的 积 累 ， 形 成 电 偶 极 层 (图 4 )。 电 偶 极 层 中 的 电 场 方 向 正 好 阻止 扩 散 的 进 行 。 当 由 于 载 流 子 数 密 度 不 等 引 起 的 扩 散 作 用 与 电 偶 层 中 电 场 的作 用 达 到 平 衡 时 ， P 区 和 N 区 之 间 形 成 一 定 的 电 势 差 ， 称 为 接 触 电 势 差 。 由于 P 区 中 的 空 穴 向 N 区 扩 散 后 与 N 区 中 的 电 子 复 合 ， 而 N 区 中 的 电 子 向 P区 扩 散 后 与 P 区 中 的 空 穴 复 合 ， 这 使 电 偶 极 层 中 自 由