n型半导体材料.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划n型半导体材料　　N型与P型半导体　　什么是N型半导体，什么是P型半导体？　　N型半导体也称为电子型半导体N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体　　在纯净的硅晶体中掺入五价元素，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成掺入的杂质越多，多子的浓度就越高，导电性能就越强　　P型半导体也称为空穴型半导体P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体在纯净的硅晶体中掺入三价元素，使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成掺入的杂质越多，多子的浓度就越高，导电性能就越强　　掺入的杂质越多，多子的浓度就越高，导电性能就越强　　在纯净的硅晶体中掺入三价元素，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电由于P型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故P型半导体呈电中性。

空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成　　n型半导体就是在单晶硅中掺入5族元素杂质，多子为电子，　　p型半导体是掺入3族杂质，多子为空穴　　更深入的理解是通过改变费米能级使得自由电子或空穴的占有率提升，从而改变半导体导电性能　　怎么使N型半导体变成P型半导体？什么条件下可以使N型半导体变成P型半导体？　　N型半导体就是导电载流子是电子，P型半导体就是导电载流子是空穴N型半导体中之所以是电子导电是因为其在本征半导体基础上进行了施主掺杂而P型半导体中之所以是空穴导电是因为其在本征半导体基础上进行了授主掺杂Si为4价所以假设要想把磷掺杂量为X的N型半导体转为P型当然就是在此N型半导体中掺入大于X量的磷半导体的掺杂等工艺要在超净间中进行，掺杂是半导体工艺中的一步，主要的掺杂方法有离子注入和热扩散　　半导体材料中形成pn结,是不是一定要先有p型半导体跟n型半导体?P型硅中是怎么形成pn结的?求解　　是的P型半导体是在单晶硅中参入微量三价元素，如的硼、铟、镓或铝等，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(带正电)叫少数载流子pn结就是把这两种半导体烧结在一起，由电子　　和空穴运动达到平衡后形成PN结，具有单向导电的特性，即二极管若烧结成P-N-P或N-P-N两个PN结就是三极管大规模集成电路也是这个原理制成的　　半导体材料的导电性并不好，在单一元素物质的状态下仅能维持有限的导电能力这是因为在导带的自由电子和在价带的空穴的数目很有限纯硅必须加以改变，增加自由电子或空穴数目，才能改进它们的导电性，才能运用在电子元件上我们在这一节中，可以学到将杂质加入纯质材料中，就能达到此目的掺有杂质的半导体材料，分为N型和P型两种，是大部分电子元器件的主要组成部分　　在学习完这一节的内容后，你应该能够：说明N型和P型半导体材料的特性；定义掺杂的含义；解释N型半导体如何形成；解释P型半导体如何形成；说明何谓多数载流子和少数载流子　　1.掺杂　　将定量的杂质加入纯质半导体材料中，就可大幅提高硅和锗的导电性这个过程被称为掺杂(doping)，可以增加材料中载流子的数目掺有杂质的半导体有两种，就是N型和P型　　型半导体　　要增加纯硅导电带的电子数目，可加入五价的杂质原子。

具有五个价电子的原子有砷(As)、磷(P).铋(Bi)和锑(Sb)　　如图所示，每一个五价原子都会与邻近的四个硅原子形成共价键锑原子有四个价电子要与硅原子形成共价键，就舍多出一个价电子这个多余的价电子就成为传导电子，因为它不属于任何原子由于五价原子会放弃一个电子，所以又被称为施主原子(donoratom)凭借加入硅晶体的杂质原子的数目，就能控制传导电子的数目这种掺杂过程所产生的传导电子，并不会在价带上留下空穴，因为这些传导电子都是多出来的电子　　既然大多数的载流子都是电子，硅掺杂入五价原子就成为N型半导体电子就称为N型半导体中的多数载流子(majoritycarriers)虽然N型半导体材料的多数载流子是电子，但是仍会有少数的空穴产生，这是因为热扰动会产生电子一空穴对这些空穴并不是因为加入五价杂质原子而产生空穴在N型半导体材料中称为少数载流子(minoritycarriers)　　3.P型半导体　　要在纯硅晶体中增加空穴的数目可以加入三价的杂质原子具有三个价电子的原子有硼(B)、铟(In)和镓(Ga)等　　如图所示，每一个三价原子会与邻近的四个硅原子形成共价键硼原子的全部三个价电子都用于共价键，但是因为需要四个电子，因此每加入一个三价元素就会产生一个空穴。

因为三价原子可以接牧电子，因此被视为受主原子(acceptoratom)凭借加入硅晶体的三价杂质原子的数目，就可以控制空穴的数目由掺杂过程所产生的空穴，并不会伴随产生传导电子　　硅晶体掺杂三价原子后，因为大多数的载流子是空穴，就称为P型半导体空穴可视为正电荷，因为缺乏一个电子，相对地就会形成原子多一个正电荷P型材料中的多数载流子是空穴虽然P型半导体材料的多数载流子是空穴，LMV722MMX但是仍会有少数的自由电子产生，这是因为热扰动产生的电子一空穴对这些自由电子并不是因为加入三价杂质原子而产生电子在P型半导体材料中称为少数载流子　　为什么光电倍增管的阴极材料要采用P型半导体?　　对于P型半导体来说，由于其受主能带靠近价带，所以价带中的电子很容易从光子吸收能量阅入主能带，使价带产生空穴参与导电　　P型半导体带电吗？　　"P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体",空穴不是相当于带正电吗，既然空穴浓度大于自由电子浓度，那么和电子中和以后，剩余的空穴不还是带正电吗？不带电,半导体是受一定条件影响才有电流的,其具体原理如下:　　P型半导体也称为空穴型半导体P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。

在纯净的硅晶体中掺入三价元素，使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半导体在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成掺入的杂质越多，多子的浓度就越高，导电性能就越强　　P型和N型半导体　　如果杂质是周期表中第Ⅲ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Ⅳ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大能级大于锗的最大能级，因此电子很容易从这个能级进入第Ⅳ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　　用于LED　　LED在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(PNJunctionTransistors)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(带正电)叫少数载流子　　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　　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或晶格的热振动能量在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此。