2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体物理基础知识

半导体物理基础知识 （按电导率分） ①导体：低价元素（如Cu铜、AI铝等） 导电性能好; ②绝缘体：高价元素（如惰性气体） 或高分子物质（如云母、橡胶） 导电性能极差; ③半导体：四价元素(如Si、Ge等)。 导体:电阻率?低于10-3Ω·cm的物质。 绝缘体:电阻率?高于109Ω·cm的物质。 半导体物理基础知识 半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。 1、硅 ( Si ) 、2、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型： +14 2 8 4 +32 2 8 4 18 +4 价电子 惯性核 3、砷化镓GaAs等。 Ge Si 一、硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 硅和锗共价键结构示意图： 共价键 1.1.1 本征半导体 化学成分纯净的、在物理结构上呈单晶体形态。 电子空穴对 当T升高或光线照射时 产生成对的自由电子空穴。 因共价键具有很强的结合力，当T=0K和无外界影响时，无自由移动的电子，即没有载流子？，不导电。 这种现象称为 注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。 本征激发。 二、本征激发和复合 载流子：在电场下，能运载电荷形成电流的带电粒子。如自由电子。 　　在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，同时，在原来共价键的相应位置留下一个空位(空穴)的过程。 6 需两个动画 当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。 当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时，形成一种运动，可等效看作是空穴的运动。见后图。 注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。 自由电子 — 带负电 半导体中有两种导电的载流子 空穴的运动 空 穴 — 带正电 　复合:自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。 7 空穴的移动 空穴 自由电子 温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。 三、热平衡载流子浓度 热平衡载流子浓度： 本征半导体中 本征激发——产生自由电子空穴对。 电子和空穴相遇释放能量——复合。 T 导电能力 ni 或光照 热敏特性 光敏特性 (1-1-1) 一、N型（电子型）半导体： 1.1.2 杂质半导体 +4 +4 +5 +4 +4 N型半导体 多子——自由电子 少子——空穴 自由电子 本征半导体掺入少量五价元素（如磷、砷、锑等）构成 多余的一个价电子处于共价键之外，束缚力较弱而成为自由电子。 特点：①有两种载流子； ②主要靠自由电子导电。 P型半导体的特点： ①有两种载流子，即自由电子和空穴。空穴是多子，自由电子是少子； ②主要靠空穴导电。 注意 P 型半导体和N型半导体仍呈电中性，只起电阻作用。 $