2022-2023学年高二物理竞赛课件：常用半导体器件

1 常用半导体器件 2 第一章 常用半导体器件 1.1 半导体基础知识 1.2 半导体二极管 1.3 晶体三极管 1.4 场效应管 1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件 2 3 本章要求 概念：两种载流子；扩散运动和漂移运动； PN结的形成；PN结的单向导电性。 2.理解二极管的伏安特性曲线及特性方程 3.会分析简单的二极管电路 4.理解稳压管的稳压作用 5. 理解三极管的放大作用和开关作用 6.理解三极管的特性曲线 7.会分析三极管的三种工作状态 8.理解场效应管的放大作用、开关作用和变阻作用 9.理解场效应管的恒流、夹断、变阻三种工作状态 10.会分析场效应管的三种工作状态 3 4 1.1 半导体基础知识 1.1.1 本征半导体 1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结 4 4 5 根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。 导 体：自然界中很容易导电的物质，如铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如惰性气体、橡胶、陶瓷、塑料和石英等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si) 、锗(Ge)等四价元素、砷化镓(GaAs) 、一些硫化物、氧化物等，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 半导体是构成当代电子器件的基础材料。 6 1.1.1 本征半导体 (1)本征半导体的晶体结构 (2)本征半导体的载流子 (3)本征半导体中载流子的浓度 本征半导体——化学成分纯净的晶体结构的半导体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%。--硅、锗。 无杂质 稳定的结构 7 （1）本征半导体的晶体结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体 共价键 共用电子对 当处于绝对零度（-273℃）时，本征半导体中没有自由电子。 8 （2）本征半导体的载流子--电子、空穴 由于光照或热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子，从而参与导电 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 共价键 这一现象称为本征激发，也称热激发。 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。 9 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。 动态平衡 （2）本征半导体的载流子 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 10 在其他力的作用下，自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流。 自由电子和空穴称为载流子（运载电荷的粒子）。 空穴电流的方向与运动方向一致， 电子电流的方向与运动方向相反。 ---所以总电流方向仍然一致。 11 （3）本征半导体中载流子的浓度 温度升高 热运动加剧 载流子增多 本征半导体中载流子的浓度很低,导电性能很差。 本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？ 12 本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。（这是半导体和金属导电原理的本质区别） 本征激发使空穴和自由电子成对产生。相遇复合时，又成对消失。 温度越高载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。 归纳 ◆ ◆ ◆ $