第9章气敏湿敏传感器-
第九章 气、湿敏传感器
第一节 半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的 传感器。
分类：按构成气敏传感器材料：半导体、非半导体
按半导体与气体的相互作用的位置
表面控制型 体控制型
半 导 体
按半导体变化的物理性质
电阻型 非电阻型
气敏传感器能够检测气体的种类及主要检测场所
一、电阻型半导体气敏材料的导电机理 利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致 敏感元件阻值变化而制成。当半导体器件被加热到 稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附，被吸 附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量， 一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分 解而化学吸附在吸附处。 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力，则 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半 导体表面呈现电荷层。 当半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则 吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。
2.钯－MOS场效应晶体管气敏器件
第二节
湿敏传感器
1.湿度传感器及其分类 湿度传感器是指大气中水蒸气的含量。通常采用绝对 湿度（AH）和相对湿度（％RH）来表示。
水分子易于吸 附在固体表面 并渗透到固体 内部的这种特 性称为水分子 亲和力
一、水分子亲和力型湿敏元件 1.氯化锂湿敏元件 氯化锂是电解质湿敏元件的代表。它是利用阻 值随环境相对湿度变化二变化的机理制成的测湿 元件。 结构是在条状绝缘基片的两面，用化学沉积 或真空蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配制的 氯化锂-聚乙烯醇混合溶液，经老化处理，便制成 了氯化锂湿敏元件，其结构如9-10（a）所示。
（2）正特性湿敏半导瓷的导电机理 当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时， 导致其表面层电子浓度下降，但是还不足以使表 面层的空穴浓度增加到出现反型层，此时仍以电 子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度的 下降而增大。
传感技术第九章 气、湿敏传感器
2、相对湿度和绝对湿度
水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中 存在的水蒸气分压(p)。而饱和蒸气压是指在同一温度 下，混合气体中所含水蒸气压的最大值(ps)。温度越 高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压 同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度
RH p 100 % ps
电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂 上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度 升高而电阻减小。 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种 多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而 制成。 高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂 覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材 料种类也很多,工作原理也各不相同。 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。 制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易 于和半导体电路集成在一起。
以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时， 加热器能使附着在控测部分上的油雾，尘埃等烧 掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵 敏度和响应速度，一般加热到200--400℃，具体 温度视所掺杂质不同而异。
这种气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜， 使用方便；对气体浓度变化时的响应快；即使在 低浓度(3000mg/kg)下，灵敏度也很高。其缺点 在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强， 各器件之间的特性差异大等。
（2）气敏元件的灵敏度 是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指
标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏 元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。
（3）气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响
气敏、湿敏传感器精选全文
一、气敏电阻传感器气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体，如各种还原性气体。
1．还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。
还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
【举例】各种可燃性气体传感器如，酒精传感器、煤气报警器、液化气报警器、一氧化碳传感器、甲烷传感器等。
2．二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。
其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。
当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。
TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路介绍【举例】氧浓度传感器可用于汽车尾气测量气敏半导体的灵敏度较高，它较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警。
二、湿敏电阻传感器湿度包括：绝对湿度和相对湿度，湿度对电子元件的影响很大。
检测湿度的手段很多，如毛发湿度计、干湿球湿度计、石英振动式湿度计、微波湿度计、电容湿度计、电阻湿度计等，本节介绍陶瓷湿敏电阻式湿度传感器。
图2－19是陶瓷湿敏电阻传感器的结构、外形及测量转换电路框图，它主要用于测量空气的相对湿度。
新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。
本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。
第10章气敏、湿敏传感器本章主要内容10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义2. 结构：半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。
3. 分类：按其制造工艺，分为烧结型、薄膜型和厚膜型；按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。
二. 半导体气敏材料的气敏机理三. SnO2 系列气敏器件1. 主要特性2. 检测电路四. 气敏传感器的应用1 简易家用气体报警2 有害气体鉴别、报警与控制电路3 防止酒后开车控制器10.2 湿敏传感器一．半导体陶瓷湿敏电阻1. 负特性湿敏半导瓷的导电原理2 正特性湿敏半导瓷的导电原理二. 典型半导瓷湿敏元件三. 湿敏传感器的应用1 湿度检测器2 高湿度显示器本章教学要求及重点、难点一．教学要求1.了解气敏、湿敏电阻传感器的结构2. 掌握气敏、湿敏电阻传感器的工作原理及应用二. 重点、难点重点：气敏、湿敏电阻传感器的原理及应用难点：气敏、湿敏电阻传感器的原理10.1 气敏传感器一.电阻型半导体气敏传感器的结构与分类1. 定义气敏电阻传感器是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量再转换为电流、电压信号的传感器，它的传感元件是气敏电阻。
第九章气、湿敏传感器.
第九页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器
图9.3 工作原理流程解释
第十页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器 图9.4示出了气体接触到N型半导体时所引起的元件阻值 变化情况。由于空气中的氧分压大体上是恒定的，因此氧的 吸附量也是恒定的。当处于空气中的元件的阻值保持不变时， 如果被测气体流入这种气氛中，则元件表面将产生吸附作用， 元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化。通过测量电路(如 电桥电路)
还可以采用改变元件的烧结温度和工作温度相结合的措
第十四页，编辑于星期日：二十二点 十八分。
第9章 气、湿敏传感器
图9.5 添加ThO2的SnO2气敏元件在不同浓度的CO气氛中的振荡波形 (元件工作温度为200 ℃，添加1%(重量)的ThO2)
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第9章 气、湿敏传感器
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第9章 气、湿敏传感器 2) MIS MIS二极管的伏安特性对氢气很敏感，当氢气浓度改变 时，其伏安特性会发生明显的变化，因而可利用它来检测氢 气。美国C-W储备大学开发了带有加热器和测温元件的MIS 二极管型微结构氢敏传感器。为了提高灵敏度和耐久性，电 极金属用钯-银合金代替钯，用集成电路工艺制造出加热器、 测温元件和MIS二极管，最后用牺牲层工艺从背面将硅芯片
2. 当气体吸附到半导体气敏元件表面时，元件的电阻(或电 导率)会发生变化，即气敏元件被加热到稳定状态后，被检测 的气体接触元件的表面而被吸附，吸附分子在元件的表面上 自由扩散(物理吸附)，失去其运动能量。一部分气体分子被 蒸发，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸 附)。这时，如果N型半导体，功函数越大，电子越不容易从半 导体中逸出)大于气体吸附分子的离解能，则气体的吸附分子 将向半导体释放出电子，而成为正离子吸附(带正电荷)。供 给半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷
第9章气湿敏传感器
➢ 应用范围：可用于检测气体中的特定成分（CO、 CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等）。
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第9章气湿敏传感器
第九章 气、
双层金 属网罩 气敏元 件
电极引 线
外套 封装基 痤 端子
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图9.1 某气敏传感器的整体结构
第9章气湿敏传感器
第九章 气、
（1） 烧结型
➢ 将元件的电极和加热器
金属氧化物
加热电极
输出极
均埋在金属氧化物气敏材
料中, 经加热成型后低温
烧结而成。
烧结型
➢ 目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200－300℃, SnO2气敏 半导体对许多可燃性气体, 如氢、一氧化碳、甲烷、
阻率增大，阻值增大。具有负离子吸附倾向的气体被称为氧
化性气体(例O2、NOx等)。
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第9章气湿敏传感器
第九章 气、
100 元件电阻 元件加热
正常状态
50
吸附氧化性气体 元件阻值变化
0 空气中
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吸附还原性气体 时间
吸附气体后
第9章气湿敏传感器
第九章 气、
➢ 当吸附还原性气体时，N型半导体的功函数大于吸附 分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子 吸附，半导体载流子数增加，半导体电阻率减少，阻值 降低。
数
第九章 气、 玻璃带上浸渍LiCl的湿敏元件的电阻-相对湿度特性 :
/对
传感器 第9章 气、湿敏传感器
第9章 气、湿敏传感器• 气敏、湿敏传感器是利用物质的物理效应和化学效应对气体中的某些成分或水汽进行检测的器件。
• 检测气体的成分或水汽的湿度，用得最多的是半导体气敏传感器和半导体湿敏传感器。
9.1 气敏传感器9.1.1 半导体气敏元件的分类及必备条件• 利用半导体与某些气体接触时，其特性发生变化这一规律来检测气体的成分 或浓度的传感器。
• 按照其与气体的相互作用主要是局限于半导体外表，还是涉及到内部，分为： 外表控制型；体控制型。
按照半导体变化的物理特性:电阻式；非电阻式。
• 电阻式半导体气敏元件是利用半导体接触到气体时其阻值的改变来检测气体的浓度；• 非电阻式半导体气敏元件那么是根据气体的吸附和反响，使其某些关系特性发生变化，来对气体进行直接或间接的检测。
• 气敏元件至少都必须具备如下条件：① 对气体的敏感现象是可逆的；② 单位浓度的信号变化量大；③ 能检测出的下限浓度低；④ 响应重复特性良好；⑤ 选择性好，即对与被测气体共存的其它气体不敏感；⑥ 对周围环境(如温度、湿度)的依赖性小；⑦ 性能长期稳定，结构比拟简单。
9.1.2 外表控制型电阻式半导体气敏元件• 这种类型的气敏元件是利用半导体外表因吸附气体引起电阻阻值变化的元件，主要用于检测可燃性气体。
它具有气体检测灵敏度较高、响应速度快等优点。
气敏元件的材料 多数采用氧化锡和氧化锌等较难复原的氧化物。
为提高气体的选择性，一般都掺有少量的贵金属(如铂等)作催化剂。
1．结构通常主要由三局部组成：① 气体敏感元件；② 对敏感元件进行加热的加热器；③ 支持上述部件的封装局部。
以多孔质烧结体型气敏元件为例 烧结型2SnO 气敏元件是以多孔质陶瓷2SnO 为基材(粒度在1μm 以下)，添加不同物质，采用传统制陶方法，进行烧结。
烧结时埋入测量电极和加热丝，制成管芯，最后将电极和加热丝引线焊在管座上，并罩覆于二层不锈钢网中而制成元件。
这种元件主要用于检测复原性气体、可燃性气体和液体蒸气。
第9章气敏湿敏传感器
SnO2 烧结体 1
2
3 4
Ir—Pd合金丝 (加热器兼电极)
(a)结构
13
24 （b)符号
图15.6 直热式气敏器件的结构和符号
旁热式气敏器件
旁热式气敏器件是把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内， 在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导 体材料，就构成了器件
克服了直热式结构的缺点，器件的稳定性得到提高
半导体式气敏传感器的分类
1 气敏电阻的工作原理
◆气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材 料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷 制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如 氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等，P型 半导体，如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧 化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气 体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时 还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、 银（Ag）等。
（6）初期稳定时间 一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将
下降,然后再上升,最后达到稳定。由开始通电直到气敏 元件阻值到达稳定所需时间,称为初期稳定时间。初期稳 定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时 间越长,其初期稳定时间也越长。在一般条件下,气敏元 件存放两周以后,其初期稳定时间即可达最大值。 （2min)
◆该类气敏元件通常工作在高温状态 （200~450℃），目的是为了加速上述的氧 化还原反应。
例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下 吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保 持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器 件本身温度的升高而增加，尤其在 100~300℃范围内电导率变化很大。显然， 半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度 增加的结果。气敏元件的基本测量电路如图1 （a）所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输 出电压与温度的关系如图1（b）所示。
传感器(9 气敏、湿敏)
9.1.4应用举例 家用有毒气体探测报警器
一氧化碳、液化气，甲烷、丙烷都是有毒可燃气体，当空气 中达到一定浓度时．将危及人的健康与安全。此电路线路简单， 具有很高的灵敏度，对探测上述有毒气体是行之有效的。
1.传感器
2.探测报警电路如图所示。
用QM—N10气敏传感器作为探测头，它是一种新型的低功耗、 高灵敏度的气敏元件。
9.2.6应用实例
1.烹调设备湿度控制的应用实例
湿敏传感器安装在烹调设备 的排气口，根据湿度变化控制烹调 过程的进行。
2. 湿度测量系统方框图
作业：
一、课后习题1、2。 二、简述电容式湿敏传感器的工作原理。 三、气敏传感器中加热器的作用是什么？ 四、设计家用有毒气体报警器的报警电路。 五、判断题： 1、当氧化性气体吸附到N型半导体上，还原性气体吸附 到P型半导体时，将使载流子增加，电阻减小。 ２、具有负离子吸附倾向的气体有02和NOx，称为氧化 性气体。 ３、气敏传感器使用时通常需要4分钟左右的预热时间。 ４、氯化锂湿敏传感器一般选用交流电供电源。 六、湿敏传感器通常由————、———、————三部 分组成。 气敏传感器由————、———、————三部分组 成。
2.陶瓷湿敏传感器
金属氧化物陶瓷构成的湿敏传感器有离子型和电子型两种。 离子型陶瓷湿敏传感器：由绝缘材料制成的多微孔陶瓷元件 对水 分子具有物理吸附作用（毛细作用），因而在潮湿气氛中呈现出 H+离子，使元件的电导率增加。处于实用阶段的这类传感器分别 以：α-Fe2O3、K2CO3，ZnO、V2O5、Li2O为主要成分。 电子型陶瓷湿敏元件：利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元 件电导率改变进行湿度测量。图9.15是氧化锆—氧化镁合成陶瓷湿 度传感器。电热元件用于加热（300~700 ℃ ）和清洗污物。外壳保 证传感器在高温下使用的热稳定性。这类传感器已应用于食品加工、 空调和干燥器等设备中。
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燃烧气体
灵敏度高，构造与电路简 单，但输出与气体浓度不 成比例
输出与气体浓度成比例， 但灵敏度较低
利用化学溶剂与气体反应产生 的、 气体选择性好，但不能重
SO2等
复使用
利用与空气的折射率不同而产 生的干涉现象
与空气折射率不同的 气体，如CO2等
2020电/5/18 导增加，使元件电阻减小。
◆该类气敏元件通常工作在高温状态（ 200~450℃），目的是为了加速上述的氧化 还原反应。
例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下 吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保 持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器 件本身温度的升高而增加，尤其在 100~300℃范围内电导率变化很大。显然， 半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度 增加的结果。气敏元件的基本测量电路如图1 （a）所示。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输 出2020电/5/18压与温度的关系如图1（b）所示。
第9章 气敏湿敏传感器
• 9.1 气敏传感器 • 9.2 湿敏传感器
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9.1 气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、 浓度和成分的传感器，而半导体气敏传感器 是目前实际使用最多的气敏传感器。 ◆由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可 能用一种传感器检测所有类别的气体，因此 半导体气敏传感器的种类非常多。 ◆目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气 、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有 毒、有害气体的监测、预报和自动控制。
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器 件 电 阻 / k
10 0
器 件加 热
稳 定状 态
50
响 应 时 间 约 1 m in以 内 氧 化型
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5
还 原型
加 热开 关
2 m in 4 m in 大 气中
吸 气时
N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
图1 输出电压与温度关系
图中EH为加热电源，EC为测量电源，电阻 中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化 ，输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出 。
2020/5/18
图2 气敏元件结构
◆气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高
很多。因此，气敏元件结构上，有电阻丝加热 ，结构如图2所示，1和2是加热电极，3和4是 气敏电阻的一对电极。
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9.1.1 气敏传感器的分类
类型 半导体式
接触燃烧式
化学反应式 光干涉式 热传导式 红外线吸收 散射式
原理
检测对象
特点
若气体接触到加热的金属
氧 化 物 ( SnO2、Fe2O3、ZnO2 等 ) ， 电阻值会增大或减小
还原性气体、城市排 放气体、丙烷气等
可燃性气体接触到氧气就会 燃烧，使得作为气敏材料的铂 丝温度升高，电阻值相应增大
9.1.3 半导体式气敏传感器的工作原理
• 半导体式气敏传感器：
– 利用半导体气敏元件同气体接触，造成 半导体性质发生变化的原理来检测特定 气体的成分或者浓度
• 半导体式气敏传感器可分为：
– 电阻式 – 非电阻式
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半导体式气敏传感器
电阻式 非电阻式
烧结型 薄膜型 厚膜型
二极管气敏传感器 MOS二极管气敏传感器 Pd—MOSFET气敏传感器
半导体式气敏传感器的分类
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1 气敏电阻的工作原理
◆气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材 料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷 制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如 氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等，P型 半导体，如氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧 化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气 体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时 还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt） 、银（Ag）等。
◆金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半 导体后却显示气敏特性。通常器件工作 在空气中，空气中的氧和NO2这样的电 子兼容性大的气体，接受来自半导体材 料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导 体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少，使表面电导减小，从而使器件 处于高阻状态。一旦元件与被测还原性 气体接触，就会与吸附的氧起反应，将 被氧束缚的电子释放出来，敏感膜表面
寿命长，但选择性差
根据热传导率差而放热的发热 元件的温度降低进行检测
与空气热传导率不同 的气体，如H2等
构造简单，但灵敏度低， 选择性差
由于红外线照射气体分子谐振 而吸收或散射量进行检测
CO、CO2等
能定性测量，但装置大， 价格高
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9.1.2 接触燃烧式气体传感器检测原理
可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触， 发生氧化反应，产生反应热(无焰接触燃烧热)，使得作 为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。一般情 况下，空气中可燃性气体的浓度都不太高(低于10％)， 可燃性气体可以完全燃烧，其发热量与可燃性气体的浓 度有关。空气中可燃性气体浓度愈大，氧化反应(燃烧) 产生的反应热量(燃烧热)愈多，铂丝的温度变化(增高) 愈大，其电阻值增加的就越多。因此，只要测定作为敏 感件的铂丝的电阻变化值(ΔR)，就可检测空气中可燃 性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元 件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在 铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使 用寿202命0/5/1，8 又可以提高检测元件的响应特性。
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（如硼），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（空穴）的浓度就越高，导电性 202能0/5/就18 越强。
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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（如磷），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（自由电子）的浓度就越 高，导电性能就越强。