P型和N型半導體

如果雜質是周期表中第Ⅲ族中的一種元素──受主雜質，例如硼或銦，它們的價電子帶都只有三個電子，并且它們傳導帶的最小能級低于第Ⅳ族元素的傳導電子能級。因此電子能夠更容易地由鍺或硅的價電子帶躍遷到硼或銦的傳導帶。在這個過程中，由于失去了電子而產生了一個正離子，因為這對于其它電子而言是個“空位”，所以通常把它叫做“空穴”，而這種材料被稱為“P”型半導體。在這樣的材料中傳導主要是由帶正電的空穴引起的，因而在這種情況下電子是“少數載流子”。如圖1所示。

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N型半導體
如果摻入的雜質是周期表第V族中的某種元素──施主雜質，例如砷或銻，這些元素的價電子帶都有五個電子，然而，雜質元素價電子的最大能級大于鍺（或硅）的最大能級，因此電子很容易從這個能級進入第Ⅳ族元素的傳導帶。這些材料就變成了半導體。因為傳導性是由于有多余的負離子引起的，所以稱為“N”型。也有些材料的傳導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）電子被稱為“多數載流子”。如圖2所示。

P型和N型半導體的應用
由P型半導體或N型半導體單體構成的產品有熱敏電阻器、壓敏電阻器等電阻體。由P型與N型半導體結合而構成的單結半導體元件，最常見的是二極管；此外，FET也是單結元件。PNP或NPN以及形成雙結的半導體就是晶體管。

（1）用于LED

LED在20世紀60年代誕生后就被認定是熒光燈管、燈泡等照明設備的終結者，甚至有人認為LED將會開創一個新的照明時代，最終出現在所有需要照明的場合。LED的工作原理和我們常見的白熾燈、熒光燈完全不同，LED從本質上來說是一種半導體器件。

LED的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體的交界面就會出現一個具有特殊導電性能的薄層，也就是常說的PN結(PN Junction Transistors)。PN結可以對P型半導體和N型半導體中多數載流子的擴散運動產生阻力，當對PN結施加正向電壓時，電流從LED的陽極流向陰極，而在PN結中少數載流子與多數載流子進行復合，多余的能量就會轉變成光而釋放出來。LED正是根據這樣的原理實現電光的轉換。根據半導體材料物理性能的不同，LED可發出從紫外到紅外不同波段、不同顏色的光線。

小知識:P型半導體和N型半導體

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

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

（2）在半導體熱電偶中的應用

熱電制冷是熱電效應主要是珀爾帖效應在制冷技術方面的應用。實用的熱電制冷裝置是由熱電效應比較顯著、熱電制冷效率比較高的半導體熱電偶構成的。

半導體熱電偶由N型半導體和P型半導體組成。N 型材料有多余的電子，有負溫差電勢。P 型材料電子不足，有正溫差電勢；當電子從P 型穿過結點至N 型時，結點的溫度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相當于結點所消耗的能量。相反，當電子從N型流至P型材料時，結點的溫度就會升高。

直接接觸的熱電偶電路在實際應用中不可用，所以用下圖的連接方法來代替，實驗證明，在溫差電路中引入第三種材料（銅連接片和導線）不會改變電路的特性。

這樣，半導體組件可以用各種不同的連接方法來滿足使用者的要求。把一個P 型半導體組件和一個N 型半導體組件聯結成一對熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。

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。

按圖中把若干對半導體熱電偶對在電路上串聯起來，而在傳熱方面則是并聯的，這就構成了一個常見的制冷熱電堆。按圖示接上直流電源后，這個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。