2022-2023学年高二物理竞赛课件：二极管及其基本电路

二极管及其基本电路 二极管及其基本电路 基本要求： 1 了解半导体器件内部物理过程； 2 理解二极管工作原理、主要参数、使 用方法； 3 掌握二极管外特性、二极管基本应用 电路及其分析方法。 二极管及其基本电路 半导体的基本知识 PN结的形成及特性 二极管的基本电路及其分析方法 特殊二极管 二极管 半导体基本知识 半导体器件特点： 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。 半导体材料：（Semiconductor materials) ρ(Ω-cm ) 10+9 10-3 导体 如金属等 绝缘体 如橡皮、塑料等 典型半导体：硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs等 半导体 半导体的导电特性： (可做成温度敏感元件，如热敏电阻) 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、 光敏二极管、光敏三极管等)。 热敏性： 当环境温度升高时，导电能力显著增强。 (可做成各种不同用途的半导体器件， 如二极管、三极管和晶闸管等）。 半导体的共价键结构 简化模型 最外层上的电子，决定了物质的化学特性和导电性； Si 硅原子 Ge 锗原子 1、Si、Ge的原子结构 价电子： 惯性核 半导体的共价键结构 2、共价键 硅和锗的晶体结构 共价键 共用电子对 +4 +4 +4 +4 +4表示 惯性核 § 半导体基本知识 本征半导体、空穴及其导电作用 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子，称为价电子。 Si Si Si Si 价电子 Si Si Si Si 价电子 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。 本征半导体的导电机理 这一现象称为本征激发。 空穴 温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。 自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。 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。 自由电子和空穴都称为载流子。 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： 1. N型半导体 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。 多余电子 硅原子 Si P Si Si 五价杂质原子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 硅(锗) +磷 N型半导体 杂质半导体 $$