2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体二极管和三极管

半导体二极管和三极管 半导体二极管和三极管 半导体基础知识 半导体二极管 晶体三极管 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2 §1 半导体基础知识 一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 无杂质 稳定的结构 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2、本征半导体的结构 由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。 动态平衡 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 两种载流子 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？ 3、本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为载流子。 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、杂质半导体 1. N型半导体 磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。 多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？ 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. P型半导体 硼（B） 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？ 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。 扩散运动 P区空穴浓度远高于N区。 N区自由电子浓度远高于P区。 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn PN 结的形成 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。 漂移运动 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。 PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。 PN 结的单向导电性 必要吗？ 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、PN 结的电容效应 1. 势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。 结电容： 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！ 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn $