汽車電子電氣基礎知識詳解(四)

◆文/山東 劉春暉 張學忠

（接上期）

十六、半導體技術

半導體是指電導率處于強導電性金屬與絕緣體之間的材料。

半導體元件主要由硅(Si)和砷化鎵(GaAs)等半導體材料制成。尤其在半導體技術初期作為生產晶體管原材料的鍺(Ge)由于其邊界層溫度較低(75℃)，因此在今天使用的意義已經不大。

如圖46所示，硅晶體內部是由單個硅原子構成的固態結構。每個原子的外部電子殼內都有4個電子，稱為價電子。原子各個方向上都有一個價電子與相鄰元素的相應電子相連，與其形成穩定的電子化合物。每個原子都以這種方式同相鄰電子形成四個穩定的電子化合物。

圖46 硅原子結構

因此，純硅在固態形式下形成晶格，其電阻較高，是一種不良導體。為了有目的地影響或控制半導體的電導率，通過加入更高或更低化合價的雜質可提高純硅晶體的電導率。硅晶格結合外部原子的過程稱為摻雜。在室溫條件下半導體的導電性很低。半導體受到熱、光、電壓形式的能量或磁能影響時，其電導率就會發生變化。

由于半導體對壓力、溫度和光線很敏感，因此也是理想的傳感器材料。

1.N摻雜

將一個五價元素(例如磷)作為雜質加入一個硅晶體內時，磷原子可以順利地進入硅晶格結構內。

雖然磷原子有五個價電子，但其中只有四個電子能與相鄰的硅原子形成穩定的電子對連接。也就是說還剩余一個自由電子。因此，加入到硅晶體內的磷原子因剩余一個電子而形成晶體缺陷。以這種方式摻雜形成的晶體為N半導體(圖47)。在實際應用中，通常在每一百萬個硅原子中加入一個磷原子形成這種結構。也就是說，向硅元素中添加磷雜質非常困難。

圖47 N摻雜

2.P摻雜

P摻雜是指向一個硅晶體內加入一個三價元素(例如硼)的雜質。一個硼原子的最外側電子軌道上有三個電子，但需要四個電子與其四個相鄰元素形成穩定的電子對連接。在缺少一個電子的部位留下了一個“洞”。摻雜后帶有這種電子空穴的晶體稱為P半導體(圖48)。電子空穴很容易再次吸收電子，以便重新達到中性狀態。

圖48 P摻雜

3.PN結

通過采用不同的摻雜方式，現在形成了兩種不同的半導體。如圖49所示，將P導電材料和N導電材料結合在一起時，兩種材料之間就會形成一個邊界層，稱為PN結。在環境熱量的影響下，兩個區域邊界層上的電子由N半導體移入P半導體并填補那里的電子空穴，同時在P半導體內留下電子空穴。這樣就在P與P半導體之間的邊界處形成了一個空間電荷區。

當電場足以克服熱振動施加的作用力時，電子轉移結束。溫度越高，空間電荷區越寬，電場越強。在空間電荷之間產生一個電壓。20℃時硅元素的該電壓大約為0.6～0.8V。

4.有外部電壓時的PN結(二極管)

向已經形成邊界層的PN結上施加電壓會產生什么效果？

如圖50所示，如果電壓電源正極連接在N半導體上，負極連接在P半導體上，N摻雜半導體中多余的電子就會通過電源進入P摻雜半導體的電子空穴內。這樣邊界層就會擴大，且沒有電流經過硅晶體。

如圖51所示，如果左側連接電壓電源負極，右側連接正極，那么經過N摻雜邊界層就會從電壓電源獲得大量電子，而P摻雜邊界層的電子則被吸收，從而在N摻雜邊界層內會出現更多的剩余電子，而右側區域內則會出現更多的電子空穴。這樣絕緣層就會完全消失并有電流流過。

也就是說PN結作為整流器(二極管)允許電流朝一個方向流動并阻止其向另一個方向流動。

圖49 PN結(無外部電壓)

圖50 通反向電流時的PN結

十七、半導體元件

1.二極管

通過P半導體和N半導體結合形成的元件稱為半導體二極管，簡稱二極管(圖52)。半導體晶體的塑料或金屬殼體用于防止其機械損壞。

兩個半導體層向外導電。陽極為至P層的觸點，陰極為至N層的觸點。在電路圖中使用圖53所示電路符號，電路符號中的箭頭表示電流方向。

圖51 通正向電流時的PN結

圖52 半導體二極管

二極管的作用就像一個電子管，因此可以作為用于交流電流整流的元件。如圖54所示，如果在陽極上施加正電壓，陽極就會切換到流通方向，電流流過二極管。為了防止電流造成二極管損壞，通過負載電阻限制電流。如果在陽極上施加負電壓，則會使其切換到阻隔方向，沒有電流經過二極管。阻隔方向上的電壓過高時可能導致二極管損壞。

圖53 PN結的結構及符號

為區分二極管的兩個接頭時，N側通過一個圓圈或一個點標記出來。在汽車上，二極管既可以作為獨立元件使用，也可以在控制單元中的集成電路內使用。

圖54 二極管特性曲線

從反向的特性曲線看出實際上沒有電流(幾微安)流過。反向電流隨溫度的增加而增加。反方向的電壓稱為反向電壓，簡稱UR，它的電壓范圍在幾百伏到幾千伏。不得超出最高反向電壓，否則二極管將呈導通狀態，流過的電流會導致二極管損壞。