P型和N型半導(dǎo)體

如果雜質(zhì)是周期表中第Ⅲ族中的一種元素──受主雜質(zhì)，例如硼或銦，它們的價(jià)電子帶都只有三個(gè)電子，并且它們傳導(dǎo)帶的最小能級(jí)低于第Ⅳ族元素的傳導(dǎo)電子能級(jí)。因此電子能夠更容易地由鍺或硅的價(jià)電子帶躍遷到硼或銦的傳導(dǎo)帶。在這個(gè)過(guò)程中，由于失去了電子而產(chǎn)生了一個(gè)正離子，因?yàn)檫@對(duì)于其它電子而言是個(gè)“空位”，所以通常把它叫做“空穴”，而這種材料被稱(chēng)為“P”型半導(dǎo)體。在這樣的材料中傳導(dǎo)主要是由帶正電的空穴引起的，因而在這種情況下電子是“少數(shù)載流子”。如圖1所示。

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N型半導(dǎo)體
如果摻入的雜質(zhì)是周期表第V族中的某種元素──施主雜質(zhì)，例如砷或銻，這些元素的價(jià)電子帶都有五個(gè)電子，然而，雜質(zhì)元素價(jià)電子的最大能級(jí)大于鍺（或硅）的最大能級(jí)，因此電子很容易從這個(gè)能級(jí)進(jìn)入第Ⅳ族元素的傳導(dǎo)帶。這些材料就變成了半導(dǎo)體。因?yàn)閭鲗?dǎo)性是由于有多余的負(fù)離子引起的，所以稱(chēng)為“N”型。也有些材料的傳導(dǎo)性是由于材料中有多余的正離子，但主要還是由于有大量的電子引起的，因而（在N型材料中）電子被稱(chēng)為“多數(shù)載流子”。如圖2所示。

P型和N型半導(dǎo)體的應(yīng)用
由P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體單體構(gòu)成的產(chǎn)品有熱敏電阻器、壓敏電阻器等電阻體。由P型與N型半導(dǎo)體結(jié)合而構(gòu)成的單結(jié)半導(dǎo)體元件，最常見(jiàn)的是二極管；此外，F(xiàn)ET也是單結(jié)元件。PNP或NPN以及形成雙結(jié)的半導(dǎo)體就是晶體管。

（1）用于LED

LED在20世紀(jì)60年代誕生后就被認(rèn)定是熒光燈管、燈泡等照明設(shè)備的終結(jié)者，甚至有人認(rèn)為L(zhǎng)ED將會(huì)開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的照明時(shí)代，最終出現(xiàn)在所有需要照明的場(chǎng)合。LED的工作原理和我們常見(jiàn)的白熾燈、熒光燈完全不同，LED從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種半導(dǎo)體器件。

LED的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)具有特殊導(dǎo)電性能的薄層，也就是常說(shuō)的PN結(jié)(PN Junction Transistors)。PN結(jié)可以對(duì)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，當(dāng)對(duì)PN結(jié)施加正向電壓時(shí)，電流從LED的陽(yáng)極流向陰極，而在PN結(jié)中少數(shù)載流子與多數(shù)載流子進(jìn)行復(fù)合，多余的能量就會(huì)轉(zhuǎn)變成光而釋放出來(lái)。LED正是根據(jù)這樣的原理實(shí)現(xiàn)電光的轉(zhuǎn)換。根據(jù)半導(dǎo)體材料物理性能的不同，LED可發(fā)出從紫外到紅外不同波段、不同顏色的光線。

小知識(shí):P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體

如果在硅或鍺等半導(dǎo)體材料中加入微量的硼、銦、鎵或鋁等三價(jià)元素，就變成以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，即P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴(帶正電)叫多數(shù)載流子;電子(帶負(fù)電)叫少數(shù)載流子。

如果在硅或鍺等半導(dǎo)體材料中加入微量的磷、銻、砷等五價(jià)元素，就變成以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，即N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，電子(帶負(fù)電)叫多數(shù)載流子;空穴(帶正電)叫少數(shù)載流子。

（2）在半導(dǎo)體熱電偶中的應(yīng)用

熱電制冷是熱電效應(yīng)主要是珀?duì)柼?yīng)在制冷技術(shù)方面的應(yīng)用。實(shí)用的熱電制冷裝置是由熱電效應(yīng)比較顯著、熱電制冷效率比較高的半導(dǎo)體熱電偶構(gòu)成的。

半導(dǎo)體熱電偶由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成。N 型材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢(shì)。P 型材料電子不足，有正溫差電勢(shì)；當(dāng)電子從P 型穿過(guò)結(jié)點(diǎn)至N 型時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。相反，當(dāng)電子從N型流至P型材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就會(huì)升高。

直接接觸的熱電偶電路在實(shí)際應(yīng)用中不可用，所以用下圖的連接方法來(lái)代替，實(shí)驗(yàn)證明，在溫差電路中引入第三種材料（銅連接片和導(dǎo)線）不會(huì)改變電路的特性。

這樣，半導(dǎo)體組件可以用各種不同的連接方法來(lái)滿足使用者的要求。把一個(gè)P 型半導(dǎo)體組件和一個(gè)N 型半導(dǎo)體組件聯(lián)結(jié)成一對(duì)熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。

在上面的接頭處，電流方向是從N至P，溫度下降并且吸熱，這就是冷端；而在下面的一個(gè)接頭處，電流方向是從P至N，溫度上升并且放熱，因此是熱端。

按圖中把若干對(duì)半導(dǎo)體熱電偶對(duì)在電路上串聯(lián)起來(lái)，而在傳熱方面則是并聯(lián)的，這就構(gòu)成了一個(gè)常見(jiàn)的制冷熱電堆。按圖示接上直流電源后，這個(gè)熱電堆的上面是冷端，下面是熱端。借助鋁散熱器等各種散熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱降溫，這就是熱電制冷器的工作原理。圖3是熱電偶的工作原理示意圖。