2022-2023学年高二物理竞赛课件：杂质对半导体导电性的影响

杂质对半导体导电性的影响 2 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3 杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，典型的数据如下: 第二章 半导体二极管及其基本电路 3 N 型半导体的形成： 在硅或锗晶体中掺入少量 的五价元素磷（或锑）， 磷原子的最外层中四个价 电子与相邻的半导体原子 形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子失去一个电子而成为不能移动的带正电的离子（施主离子） +4 +4 +5 +4 第二章 半导体二极管及其基本电路 4 P 型半导体的形成： 在硅或锗晶体中掺入少量 的三价元素硼（或铟）， 硼原子最外层的三个价电 子与相邻的半导体原子形 成共价键，同时产生一个 空位。这个空穴极易吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子（受主离子） 。 +4 +4 +3 +4 第二章 半导体二极管及其基本电路 5 思考：N 型半导体（或P 型半导体）中的两种载流子数量是否相等？ 杂质半导体中载流子的来源：由杂质原子提供的电子或空穴，浓度与杂质原子相同；由于本征激发产生的电子和空穴对，数量少且成对出现。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，在N型半导体中，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。 在P型半导体中，空穴浓度远大自由电子于浓度。空穴称为多数载流子（多子），自由电子称为少数载流子（少子）。 第二章 半导体二极管及其基本电路 6 杂质半导体的示意表示法 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － P 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体 第二章 半导体二极管及其基本电路 7 本征半导体、本征激发 本节小结 自由电子 空穴 N型半导体、施主杂质(5价) P型半导体、受主杂质(3价) 多数载流子、少数载流子 杂质半导体 *半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑ *半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力 第二章 半导体二极管及其基本电路 8 §2.1 PN结的形成及特性 一、PN结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的运动，在它们的交界面处就形成了PN 结。 载流子的运动： 扩散运动:由于浓度差产生的载流子移动 漂移运动:在电场作用下，载流子的移动 第二章 半导体二极管及其基本电路 9 浓度差多子的扩散运动 扩散空间电荷区内电场 内电场少子的漂移运动阻止多子的扩散 扩散与漂移达到动态平衡 P区 N区 扩散：空穴 电子 漂移：电子 空穴 形成过程可分成4步。(动画) 内电场 第二章 半导体二极管及其基本电路 10 空间 电荷区 + + + + + + + + + + + + + + + + N P 内电场 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 第二章 半导体二极管及其基本电路 11 PN结形成的物理过程： 载流子浓度差  形成内电场  促使少子漂移  阻止多子扩散 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 多子的扩散运动  形成空间电荷区  扩散 > 漂移 否 是 宽 第二章 半导体二极管及其基本电路 11 12 外加正向电压，简称正偏 外加反向电压，简称反偏 扩散 > 漂移 大的正向扩散电流（多子） 低电阻  正向导通 漂移 > 扩散 很小的反向漂移电流（少子） 高电阻  反向截止 二、PN结的基本特性——单向导电性 第二章 半导体二极管及其基本电路 P型 N型 $