2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体的基础知识

半导体的基础知识 半导体的特性 导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称半导体。 如：硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）以及大多数金属氧化物和硫化物 特性 1. 温度导电能力可做成各种热敏元件 2. 受光照导电能力可做成各种光电器件 3. 掺入微量杂质导电能力（几十万~几百万倍）可制做半导 体器件。如半导体二极管、三极管、场效应及晶闸管等。 半导体的基础知识 2 内容提要 半导体器件是组成各种电子电路——包括模拟电路和数字电路，集成电路和分立元件电路的基础。本章首先介绍半导体的特性，半导体中载流子的运动，阐明PN结的单向导电性，然后介绍半导体二极管、稳压管、半导体三极管及场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。 掌握器件要领10字令： 功能、结构、原理、曲线、参数 一、本征半导体 纯净的半导体，单晶结构，排列整齐称为本征半导体。它是共价键结构 本征半导体的共价键结构 硅原子 价电子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 在常温下自由电子和空穴的形成 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 复合 成对出现 成对消失 自由电子和空穴称为载流子 载流子导电规律 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 外电场方向 空穴移动方向 电子移动方向 在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。这是半导体导电与导体导电最本质的区别。 价电子填补空穴 二、杂质半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 1、N 型半导体 磷原子 多余价电子 自由电子 正离子 通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量特定元素，便可形成杂质半导体。 在纯净的硅或锗晶体中掺入微量五价元素（如磷）所形成的杂质半导体称N型半导体 +4 +5 2、P型半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 在纯净的硅或锗的晶体中掺入微量的三价元素（如硼）所形成的杂质半导体称P 型半导体。 +4 硼原子 填补空位 +4 +3 负离子 P 区 N 区 1、 PN 结的形成——扩散、漂移 采用不同的掺杂工艺，在同一块半导体单晶上形成 P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处就形成了一个PN 结。 N区的电子向P区扩散并与空穴复合 P区的空穴向N区扩散并与电子复合 空间电荷区 内电场方向 三、 PN结 漂移 2、 PN 结的单向导电性 内电场方向 E 外电场方向 R I P 区 N 区 外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷 N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷 空间电荷区变窄 扩散运动增强，形 成较大的正向电流，此时PN结导通 （1）外加正向电压（正向偏置） （2） 外加反向电压（反向偏置） P 区 N 区 内电场方向 E R 空间电荷区变宽 外电场方向 IR 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 少数载流子越过PN结形成很小的反向电流，此时PN结截止 多数载流子的扩散运动难于进行 结论: 1. 当PN结正向偏置时，IF较大，PN结处于导通状态； 2. 当PN结反向偏置时，反向电流IR≈0， PN结截止； ——单向导电性 3. 反向电流IR是由少数载流子产生的，对温度非常敏感 $