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 特殊二极管简介 二极管基本电路及分析方法 半导体二极管 PN结的形成及其基本特性 半导体基本知识 第二章 半导体二极管及其基本电路 3 §2.1 半导体的基本知识 一、半导体的特点和内部结构 几乎不导电的物质，如橡胶、陶瓷、塑料和石英。 很容易导电的物质，一般是金属。 导电能力介于导体和绝缘体之间。 硅(Si)和锗(Ge)以及砷化镓(GaAs)。 导体 绝缘体 半导体 第二章 半导体二极管及其基本电路 4 半导体材料的特殊性质： （1）当受到外界温度、光照等环境因素的影响时，其导电能力有明显变化。 （2）向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。 光敏、热敏特性 掺 杂 特 性 思考：为什么半导体会具有这些特点？ 根本原因是由于半导体具有特殊的内部结构 ——共价键的晶体结构。 第二章 半导体二极管及其基本电路 5 半导体的共价键结构： Ge Si 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 硅和锗的最外层电子（价电子）都是四个。 第二章 半导体二极管及其基本电路 6 硅和锗的晶体结构 ——正四面体结构 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 +4 +4 +4 +4 +4表示除去价电子后的原子 第二章 半导体二极管及其基本电路 7 共价键中的两个电子被紧紧束缚 在共价键中，称为束缚电子，在 绝对零度（0K）和无外界激发的 条件下，束缚电子很难脱离共价键成为自由电子， 因此很难导电；常温下纯净半导体中的自由电子也 很少，所以此时半导体的导电能力很弱。 +4 +4 +4 +4 第二章 半导体二极管及其基本电路 8 本征半导体：纯净的、结构完整的半导体晶体。 二、本征半导体和本征激发 在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可运动的带电粒子（载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时在共价键中留下一个“空位”。 第二章 半导体二极管及其基本电路 9 +4 +4 +4 +4 自由电子 束缚电子 +4 +4 +4 +4 在外力作用下，空位很容易吸引附近的束缚电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是带正电的“载流子”。 空穴 第二章 半导体二极管及其基本电路 10 本征激发：由于热激发或光照而产生自由电子和空穴对，这个过程称为本征激发。 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。统称为载流子。电子带负电荷（-），空穴带正电荷（+）。 在室温下，本征半导体中电流由两部分组成： 自由电子移动产生的电流。 空穴移动产生的电流。 第二章 半导体二极管及其基本电路 11 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度；本征激发所产生的电子-空穴对数量很少，故导电能力不强； 温度越高或光照越强，本征激发越剧烈，载流子的浓度越高，因此本征半导体的导电能力越强； 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体导电的一大特点。 思考：本征半导体的导电能力有什么特点？ 第二章 半导体二极管及其基本电路 12 三、杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。 P 型杂质半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为“空穴半导体”。 N 型杂质半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为“电子半导体”。 思考：杂质半导体有几种类型？ 第二章 半导体二极管及其基本电路 $