2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体基础及二极管电路

半导体基础及二极管电路 内容提要 内容提要 半导体材料的基本物理特性及PN结原理 半导体二极管的结构及工作特性 几种特殊二极管 二极管基本应用电路及其分析方法 物质的分类 导体(电阻率小于 ) 绝缘体(电阻率大于 ) 半导体（电阻率介于两者之间） 典型的半导体：如硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 按照导电能力的差别，可以将物质分为： 第一节：半导体的基本特性 半导体的独特性质：电阻率可因某些外界因素的改变而明显变化 掺杂特性 热敏特性 光敏特性 注意：决定物质导电性能的因素？ 如金、银、铜、铝等 如陶瓷、云母、塑料等 本征半导体中的共价键结构(一) 价电子 Si 硅原子 Ge 锗原子 +4 价电子 惯性核 第一节：半导体的基本特性 原子排列整齐、晶格无缺陷、纯净的半导体，被称为本征半导体 本征半导体中的共价键结构(二) 在硅和锗晶体中，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子： +4 +4 +4 +4 晶体中的共价键结构 价电子 共价键 惯性核 第一节：半导体的基本特性 晶格：原子在空间排列成具有周期性和对称性的点阵 本征激发及空穴的移动 +4 +4 +4 +4 当温度很低，没有激发时，半导体不能导电，被认为是绝缘体 当温度逐渐升高或有足够光照时，将有少数价电子获得足够能量，可以克服共价键的束缚而成为自由电子，使得本征半导体具有了微弱的导电能力 产生自由电子后，在原有的共价键中形成空穴 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 带正电 带负电 可以依靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现空穴的移动 第一节：半导体的基本特性 载流子的含义 自由电子与空穴均可视为载流子，但所携带电荷的极性不同 在本征半导体中，自由电子与空穴总是成对出现，成为电子-空穴对,从而两种载流子的浓度相等 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 载流子：载运电流的粒子 电子浓度： 空穴浓度： 电子与空穴的复合及动态平衡 第一节：半导体的基本特性 影响本征半导体中载流子浓度的因素 半导体材料本身的性质 随着温度的升高基本上按照指数规律增加 第一节：半导体的基本特性 本征半导体的导电能力很差，原因在于本征激发的载流子数目过少 杂质半导体 在本征半导体中掺入某种特定的杂质（掺杂），成为杂质半导体后，可以使其导电性能发生质的变化 根据所掺元素的不同，又可将掺杂后的半导体分为N型半导体（掺入5价元素）和P型半导体（掺入3价元素） 增加载流子的数量 提高导电率 注意：掺杂时保证不破坏原有的晶格结构 第一节：半导体的基本特性 N型半导体及其性质 +4 +5 +4 +4 自由电子 施主杂质 对于N型半导体来说，其中的电子浓度大大高于空穴的浓度，又被称为电子型半导体。其中的5价杂质被称为施主杂质 N型半导体中: 电子为多数载流子（多子），主要由杂质原子提供 空穴为少数载流子（少子），主要由热激发产生 + N型半导体表示 不能导电 第一节：半导体的基本特性 注意杂质电离与热激发的区别 P型半导体及其性质 +4 +3 +4 +4 空位 受主杂质 对于P型半导体来说，其中的空穴浓度大大高于电子的浓度，又被称为空穴型半导体。其中的3价杂质被称为受主杂质 P型半导体中: 空穴为多数载流子 电子为少数载流子   多子 少子 N型半导体 电子 空穴 P型半导体 空穴 电子 P型半导体表示 不能导电 第一节：半导体的基本特性 杂质半导体的性质 在杂质半导体中： + + + + + + - - - - - - N型半导体的简化表示法 P型半导体的简化表示法 半导体杂质的补偿原理 存在着自由电子、空穴和杂质离子三种带电粒子，但仍然是两种载流子 第一节：半导体的基本特性 仍然呈现出电中性 多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度 少子的浓度主要取决于温度(本征激发) 本征载流子浓度与温度的关系曲线 200 250 300 350 400 450 T/K Ge Si $