2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体材料与PN结

半导体材料与PN结 导体 绝缘体 半导体 影响半导体的导电性能： 温度、纯度。 导电性能介于导体（如金、银等）与绝缘体（如陶瓷、橡胶）之间的材料； 主要有：Si（硅）Ge（锗）GaAs（砷化镓）Silicom Germanium Gallium arsenide 一、半导体材料及其电特性 以硅(Si)半导体材料为例： 1. 本征半导体 半导体材料高度提纯后的导体称为本征半导体。纯度为99.99999%以上，成为单晶体。 硅原子核外有14个电子,分三层围绕原子核运动,最外层有4个电子，受原子核的束缚力最弱。硅材料高度提纯后，其原子结构排列的十分整齐。 硅原子 简化原子模型 高度提纯后的硅原子结构 本征半导体的电特性  硅单晶体原子结构排列的非常整齐；  每个原子外层的四个电子与相邻四周的原子外层电子形成稳定的共价键结构；  绝对零度时，价电子无法争脱本身原子核束缚，此时本征半导体呈现绝缘体特性；  在室温下，本征半导体非常容易受热激发产生电子—空穴对；这时的载流子浓度称本征浓度， 本征浓度随温度的上升而增大，所以本征载流子浓度是温度的函数。 常温下，本征硅中自由电子的浓度或空穴的浓度为硅原子浓度的3万亿分之一。所以本征硅的导电能力是很弱的。 自由电子和空穴总是成对出现，称为电子空穴对。电子空穴对的产生称为本征激发（热激发）。 在本征硅中，自由电子作为携带负电荷的载流子参加导电。空穴也可以看成是携带正电荷的载流子（当某器件导电由两种载流子形成时，该器件就称双极型器件）。 电子和空穴载流子运动说明 出现空穴后，共价键中的价电子较易填补到这个空位上，过程的持续进行，相当于空穴在晶体中移动。 在本征激发的同时，自由电子受原子核的吸引还可能重新回到共价键中去，这种情况称为复合。 在一定的温度下，热激发产生电子空穴对与它们的复合达到动态平衡，电子空穴对维持一定的浓度。 导体中的导电能力由电子空穴对的浓度决定。 N型半导体中的电子浓度为： 其中： 称施主原子（为掺杂原子数） 而  掺杂后的多出的电子非常容易失去（自由电子），从而使杂质原子变成带正电的正离子。 $