2022-2023学年高二物理竞赛课件：本征半导体的导电机理

本征半导体的导电机理 2023/7/16 2 本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1) 自由电子作定向运动 电子电流 (2) 价电子递补空穴 空穴电流 (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就 愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温 度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便 维持一定的数目。 注意： UESTC 2023/7/16 3 本征半导体中的载流子浓度(carriers concentration) ni ：自由电子的浓度 pi ：空穴的浓度 B ：系数（与半导体材料有关） T ：绝对温度 式中： K ：波尔兹曼常数 EG ：价电子挣脱共价键所需能量, 又叫禁带宽度 本征半导体中的自由电子和空穴是成对产生的(本征激发)，由半导体物理得： UESTC 2023/7/16 4 §1.1.2 杂质半导体(impurity semiconductor) 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型半导体(N-type semiconductor) —— 掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体(P-type semiconductor) —— 掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。 一般采用高温扩散工艺进行掺杂 UESTC 4 2023/7/16 5 一. N型半导体 ( N - type Semiconductors ) 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子很容易被激发而成为自由电子，磷原子是不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主杂质(donor impurity)。 本征硅或锗 + 少量磷  N型半导体 Si P Si Si 多余电子 施主杂质 UESTC 2023/7/16 6 在N型半导体中自由电子是多数载流子( 多子 )，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子( 少子 ), 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，由于五价原子释放电子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 +4 +5 +4 +5 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 施主杂质 自由电子 UESTC 2023/7/16 7 二. P型半导体( P - Semiconductors ) 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些原子被杂质取代。硼原子的最外层有三个价电子, 与相临的硅或锗原子形成共价键时, 产生一个空穴, 这个空穴可能吸引束缚电子来填补。 使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主杂质(acceptor impurity) 。 本征硅或锗 +少量硼  P型半导体 Si B Si Si 空穴 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 受主杂质 UESTC 2023/7/16 8 载流子运动产生电流，存在两种运动方式： 1 )漂移运动---载流子在外加电场作用下的定向移动。 2) 扩散运动---因浓度梯度引起载流子的定向运动。 五.半导体中的电流 运动速度 m --- 迁移率 关键词：漂移电流与扩散电流 UESTC 2023/7/16 9 本征半导体、杂质半导体、施主杂质、受主杂质； 小结 自由电子、空穴、 N型半导体、P型半导体； 多数载流子、少数载流子、漂移电流与扩散电流。 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。 关键词： UESTC 9 2023/7/16 10 §1.1.3 PN结 一. PN结的形成 二. PN结的单向导电性 三. PN结的伏安特性 四. PN结的电容效应 UESTC 2023/7/16 11 一. PN 结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。在N区和P区的结合面上形成PN 结。 PN结形成的物理过程: + + + + + + + + + – – – – – –