汽车电子电气基础知识详解(四)

◆文/山东 刘春晖 张学忠

（接上期）

十六、半导体技术

半导体是指电导率处于强导电性金属与绝缘体之间的材料。

半导体元件主要由硅(Si)和砷化镓(GaAs)等半导体材料制成。尤其在半导体技术初期作为生产晶体管原材料的锗(Ge)由于其边界层温度较低(75℃)，因此在今天使用的意义已经不大。

如图46所示，硅晶体内部是由单个硅原子构成的固态结构。每个原子的外部电子壳内都有4个电子，称为价电子。原子各个方向上都有一个价电子与相邻元素的相应电子相连，与其形成稳定的电子化合物。每个原子都以这种方式同相邻电子形成四个稳定的电子化合物。

图46 硅原子结构

因此，纯硅在固态形式下形成晶格，其电阻较高，是一种不良导体。为了有目的地影响或控制半导体的电导率，通过加入更高或更低化合价的杂质可提高纯硅晶体的电导率。硅晶格结合外部原子的过程称为掺杂。在室温条件下半导体的导电性很低。半导体受到热、光、电压形式的能量或磁能影响时，其电导率就会发生变化。

由于半导体对压力、温度和光线很敏感，因此也是理想的传感器材料。

1.N掺杂

将一个五价元素(例如磷)作为杂质加入一个硅晶体内时，磷原子可以顺利地进入硅晶格结构内。

虽然磷原子有五个价电子，但其中只有四个电子能与相邻的硅原子形成稳定的电子对连接。也就是说还剩余一个自由电子。因此，加入到硅晶体内的磷原子因剩余一个电子而形成晶体缺陷。以这种方式掺杂形成的晶体为N半导体(图47)。在实际应用中，通常在每一百万个硅原子中加入一个磷原子形成这种结构。也就是说，向硅元素中添加磷杂质非常困难。

图47 N掺杂

2.P掺杂

P掺杂是指向一个硅晶体内加入一个三价元素(例如硼)的杂质。一个硼原子的最外侧电子轨道上有三个电子，但需要四个电子与其四个相邻元素形成稳定的电子对连接。在缺少一个电子的部位留下了一个“洞”。掺杂后带有这种电子空穴的晶体称为P半导体(图48)。电子空穴很容易再次吸收电子，以便重新达到中性状态。

图48 P掺杂

3.PN结

通过采用不同的掺杂方式，现在形成了两种不同的半导体。如图49所示，将P导电材料和N导电材料结合在一起时，两种材料之间就会形成一个边界层，称为PN结。在环境热量的影响下，两个区域边界层上的电子由N半导体移入P半导体并填补那里的电子空穴，同时在P半导体内留下电子空穴。这样就在P与P半导体之间的边界处形成了一个空间电荷区。

当电场足以克服热振动施加的作用力时，电子转移结束。温度越高，空间电荷区越宽，电场越强。在空间电荷之间产生一个电压。20℃时硅元素的该电压大约为0.6～0.8V。

4.有外部电压时的PN结(二极管)

向已经形成边界层的PN结上施加电压会产生什么效果？

如图50所示，如果电压电源正极连接在N半导体上，负极连接在P半导体上，N掺杂半导体中多余的电子就会通过电源进入P掺杂半导体的电子空穴内。这样边界层就会扩大，且没有电流经过硅晶体。

如图51所示，如果左侧连接电压电源负极，右侧连接正极，那么经过N掺杂边界层就会从电压电源获得大量电子，而P掺杂边界层的电子则被吸收，从而在N掺杂边界层内会出现更多的剩余电子，而右侧区域内则会出现更多的电子空穴。这样绝缘层就会完全消失并有电流流过。

也就是说PN结作为整流器(二极管)允许电流朝一个方向流动并阻止其向另一个方向流动。

图49 PN结(无外部电压)

图50 通反向电流时的PN结

十七、半导体元件

1.二极管

通过P半导体和N半导体结合形成的元件称为半导体二极管，简称二极管(图52)。半导体晶体的塑料或金属壳体用于防止其机械损坏。

两个半导体层向外导电。阳极为至P层的触点，阴极为至N层的触点。在电路图中使用图53所示电路符号，电路符号中的箭头表示电流方向。

图51 通正向电流时的PN结

图52 半导体二极管

二极管的作用就像一个电子管，因此可以作为用于交流电流整流的元件。如图54所示，如果在阳极上施加正电压，阳极就会切换到流通方向，电流流过二极管。为了防止电流造成二极管损坏，通过负载电阻限制电流。如果在阳极上施加负电压，则会使其切换到阻隔方向，没有电流经过二极管。阻隔方向上的电压过高时可能导致二极管损坏。

图53 PN结的结构及符号

为区分二极管的两个接头时，N侧通过一个圆圈或一个点标记出来。在汽车上，二极管既可以作为独立元件使用，也可以在控制单元中的集成电路内使用。

图54 二极管特性曲线

从反向的特性曲线看出实际上没有电流(几微安)流过。反向电流随温度的增加而增加。反方向的电压称为反向电压，简称UR，它的电压范围在几百伏到几千伏。不得超出最高反向电压，否则二极管将呈导通状态，流过的电流会导致二极管损坏。