2022-2023学年高二物理竞赛课件：载流子在半导体中的运动

载流子在半导体中的运动 载流子在半导体中的运动 第一节：半导体中的载流子及其运动 当无外加电场作用时，半导体中的载流子做不规则热运动，对外不呈现电流 在外加或内建电场作用下，载流子将有定向的“漂移运动”并产生漂移电流 当载流子浓度分布不均匀时，将从高浓度区域向低浓度区域做定向运动，即“扩散运动”，同时产生扩散电流 半导体中的电流为漂移电流与扩散电流之和 PN结的形成 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 在一块半导体单晶的一边掺入施主杂质，制成N型半导体；在另一边掺入受主杂质，制成P型半导体。在两种杂质半导体的交界面处即形成了PN结 当P区和N区连接在一起构成PN结时，半导体的现实作用才真正发挥出来 + + + + + + - - - - - - PN结的内电场与两种运动 阻挡层(势垒层)：阻挡多子的扩散运动，但引起少子的漂移运动 空间电荷区 内建电场 扩散 + + + + + + - - - - - - 漂移 耗尽层 阻挡层 高阻区 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 PN结中两种运动的动态平衡(一) 空间电荷区 内建电场 扩散 漂移 耗尽层 阻挡层 多子的扩散运动形成扩散电流，并增加空间电荷区的宽度 少子的漂移运动形成漂移电流，并减小空间电荷区的宽度 当两种运动到达平衡时，空间电荷区的宽度也达到稳定 + + + + + + - - - - - - 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 PN结中两种运动的动态平衡(二) 空间电荷区 内建电场 扩散 漂移 耗尽层 阻挡层 动态平衡时交界面两侧的空间电荷量、空间电荷区宽度、内建电场等参量均为常数，且与半导体材料、掺杂浓度、温度有关 耗尽层为高阻区，空间电荷区以外的区域为低阻区 + + + + + + - - - - - - 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 总结：PN结形成的过程 空间电荷区 内建电场 扩散 漂移 耗尽层 阻挡层 浓度差 + + + + + + - - - - - - 多子的扩散运动 形成空间电荷区 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 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 PN结的接触电位差与势垒宽度 + + + + + + - - - - - - 接触电位差：阻挡多子的扩散运动，又称为“电位势垒”或“势垒” 空间电荷区 内建电场 势垒区的宽度主要是分布在掺杂浓度低的一侧 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 PN结外加正向偏置电压时的特性(一) P N + + + + + + - - - - - - 内电场 P区接电源正极，N区接电源负极时，为正向接法（正偏） 外电场 势垒区的电位差减小 阻挡层内的合成电场减小 空间电荷总量减小 空间电荷区变窄 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 PN结外加正向偏置电压时的特性(二) P N + + + + + + - - - - - - 内电场 外电场 扩散电流加大 漂移电流基本不变 正向电流的方向为由P区至N区，且随外加正向电压增加而增加 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 ？ 注意：PN结上的电压与外加正向电压和中性区电压之间的关系 PN结外加反向偏置电压时的特性 P N + + + + + + - - - - - - 内电场 P区接电源负极，N区接电源正极时，为反向接法（反偏） 外电场 势垒区的电位差增加 阻挡层内的合成电场增加 空间电荷总量增加 空间电荷区变厚 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 反向电流又被称为反向饱和电流，且对温度变化非常敏感 PN结的单向导电性 PN结加正向电压时，呈现低的正向电阻，具有较大的正向电流，且正向电流随正向电压的大小急剧改变 由此可以得出结论，PN结具有单向导电性： 第二节：半导体二极管的工作原理及特性 即可以认为二极管正向导通，反向截止 PN结加反向电压时，呈现高的反向电阻，具有很小的反向电流，且反向电流基本不随反向电压的大小变化 $