2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体二极管及其基本应用电路

半 导 体 二 极 管 及 其 基 本 应 用 电 路 半 导 体 二 极 管 及 其 基 本 应 用 电 路 半导体基础知识 半导体二极管及其基本应用电路 稳压二极管及其基本应用电路 半导体的基础知识 本征半导体与杂质半导体 PN结 3 半导体基础知识 物质的导电特性取决于原子结构，最外层电子受原子核的束缚力的大小来判断该物质的导电性。 物质按导电性能的分类： 导体：低价元素，如铜、铁、铝等金属，最外层电子受原子核的束缚力很小，极易形成自由电子。在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 具有较好的导电特性。 绝缘体：高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强，不易形成自由电子，导电性极差。 半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间。半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 本征半导体与杂质半导体 (1)本征半导体的共价键结构 (2)电子空穴对 (3)空穴的移动 1、本征半导体 纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。 材料：硅和锗（均为四价元素，在原子结构中最外层轨道上有四个价电子。 ） 图3.1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 (a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图 (1）本征半导体的共价键结构 把硅或锗材料拉制成单晶体时, 相邻两个原子的一对最外层电子(价电子)成为共有电子, 它们一方面围绕自身的原子核运动, 另一方面又出现在相邻原子所属的轨道上。即价电子不仅受到自身原子核的作用, 同时还受到相邻原子核的吸引。于是, 两个相邻的原子共有一对价电子, 组成共价键结构。 故晶体中, 每个原子都和周围的４个原子用共价键的形式互相紧密地联系起来,这种结构的立体和平面示意图见图3.1。 (c) （2）电子空穴对 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。 这一现象称为本征激发，也称热激发。 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图3.2所示。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。 图3.2 本征激发和复合的过程 (3) 空穴的移动 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。见图3.3的动画演示。 图3.3 空穴在晶格中的移动 半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。 N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 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，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导 体的结构示意图如图3.4所示。 P型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。 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。P型半导体的结构示意图 如图3.5所示。 $