2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体及二极管

半导体及二极管 电子技术是当代高新技术的龙头。 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分。 PN结是半导体器件的核心环节。 半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。  半导体及二极管 基本要求 2.1 掌握二极管和稳压管特性、参数 2.2 了解载流子，扩散，漂移；PN结的形成及单向导电性 2.1 半导体特性  何谓半导体 物体分类 导体 如：金属 绝缘体 如：橡胶、云母、塑料等。 — 导电能力介于导体和绝缘体之间。 半导体  半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 掺杂特性 半导体器件 温度增加使导电率大为增加 热敏特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 光敏特性 光敏器件 光电器件 常用的半导体材料有： 元素半导体：硅（Si）、锗（Ge） 化合物半导体：砷化镓（GaAs） 掺杂材料：硼(B)、铟(In)；磷(P)、锑(Sb)。 2.1.1 本征半导体 本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体。 常用的本征半导体 Si +14 2 8 4 Ge +32 2 8 18 4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共价键内的电子 称为束缚电子 价带 导带 挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子 价带中留下的空位 称为空穴 禁带EG 外电场E 自由电子定向移动 形成电子流 束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流 本征半导体 两种载流子 动画一 1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动 本征半导体 空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。 用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流 电子浓度ni = 空穴浓度pi 2.1.2 杂质半导体 杂质半导体 掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高 掺入三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体，也称空穴型半导体 掺入五价元素如P、Sb等， 形成N型半导体，也称电子型半导体 杂质半导体 N型半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +5 在本征半导体中掺入五价元素如P。 价带 导带 + + + + + + + 施主能级 自由电子是多子 空穴是少子 杂质原子提供 由热激发形成 由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子 杂质半导体 P型半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +3 +3 在本征半导体中掺入三价元素如B。 价带 导带 - - - - - - - 受主能级 自由电子是少子 空穴是多子 杂质原子提供 由热激发形成 因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。 内电场阻止多子扩散 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 扩散运动 多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动 扩散运动产生扩散电流 漂移运动 少子向对方漂移,称漂移运动 漂移运动产生漂移电流。 动态平衡 扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。 PN 结 稳定的空间电荷区 又称高阻区 也称耗尽层 PN结的形成 动画二 $