2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体二极管及其基本电路

半导体二极管及其基本电路 2 半导体二极管及其基本电路 半导体物理基础 杂质半导体 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。 N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。 产生机理 半导体掺杂性（光刻、扩散） 类型： 北华航天工业学院 3 第二章 半导体二极管及其基本电路 2.1 半导体物理基础 5.杂质半导体 N型半导体 ■掺入杂质：五价元素（磷、锑） ■载流子的产生过程： 多余电子，不受共价键的束缚，只受磷原子核的吸引，只需少许能量即可挣脱磷原子核的吸引而成为自由电子 ■载流子： 自由电子（五价元素和本征激发）—多子 空穴（本征激发）—少子 —施主杂质（+离子） +4 +4 +5 +4 磷原子 正离子 电中性 北华航天工业学院 4 第二章 半导体二极管及其基本电路 2.1 半导体物理基础 5.杂质半导体 P型半导体 ■掺入杂质：三价元素（硼、铟） ■载流子的产生过程： ■载流子： +4 +4 +3 +4 空穴 硼原子 具有很强的从其它4价元素原子处直接俘获价电子的能力 空穴（三价元素和本征激发）—多子 自由电子（本征激发）—少子 —受主杂质（-离子） 负离子 电中性 北华航天工业学院 5 第二章 半导体二极管及其基本电路 本节小结 本征半导体通过本征激发产生载流子（电子--空穴对），载流子的浓度与温度有关。---对半导体器件热稳定性会带来一定的影响。 在本征半导体中加入特定的杂质，会形成N型和P型两种杂质半导体，杂质半导体的导电性能与掺入杂质的浓度有关。---是形成PN结的基础。 北华航天工业学院 6 半导体的基础知识 第二章 半导体二极管及其基本电路 2.1 PN结的形成及特性 2.2 半导体二极管 2.3 二极管基本电路及其分析方法 2.4 特殊二极管 2.5 主要内容 北华航天工业学院 7 第二章 半导体二极管及其基本电路 虽然杂质半导体的导电性能较本征半导体显著提高，但杂质半导体本身的导电性能没有实际利用价值。 杂质半导体的重要应用在于当两种不同的杂质半导体相接触时，在其交界面附近会形成一个特定的区域---PN结。 PN结是半导体二极管和半导体三极管的重要组成部分，也是决定两个半导体器件性能的重要因素。 导引： 北华航天工业学院 8 第二章 半导体二极管及其基本电路 2.2 PN的形成及特性 1.与PN结有关的几个概念 扩散运动 漂移运动 扩散电流 漂移电流 载流子由于存在浓度差而产生的定向移动 载流子的扩散运动所形成的电流 载流子在电场作用下而产生的定向移动 载流子的漂移运动所形成的电流 北华航天工业学院 9 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质，分别形成N型半导体和P型半导体。在P区和N区交界面处就形成了PN结。 第二章 半导体二极管及其基本电路 2.2 PN的形成及特性 2. PN结形成过程 PN结概念 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + P型 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型 PN结 北华航天工业学院 10 第二章 半导体二极管及其基本电路 2.2 PN的形成及特性 2. PN结形成过程 PN结形成 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + P型 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型 载流子浓度差 扩散运动 载流子复合 空间电荷区 内电场 漂移运动 扩散使空间电荷区变宽，内电场加强，利于漂移运动； 漂移使空间电荷区变薄，内电场变弱，利于扩散运动 扩散运动与漂移运动最终达到动态平衡-----PN结形成。 北华航天工业学院 11 第二章 半导体二极管及其基本电路 2.2 PN的形成及特性 2. PN结形成过程 PN结形成的物理过程 载流子浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促进少子漂移 内电场阻碍多子扩散 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 否 是 扩散 > 漂移 宽 多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区 北华航天工业学院 12 第二章 半导体二极管及其基本电路 2.2 PN的形成及特性 2. PN结形成过程 PN结形成的物理过程 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 形成稳定的PN结 特点 空间电荷区宽度固定 北华航天工业学院 $