高二物理竞赛：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

半导体的基础知识半导体二极管半导体二极管及其基本应用电路PN结的形成及其单向导电性稳压二极管

半导体材料及其导电特性在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。

导体（低价元素）——半导体——绝缘体（高价元素）金、银、铜、铁等——硅、锗、砷化镓等——橡胶、惰性气体等

半导体的基本知识热敏特性光敏特性掺杂特性半导体材料具有与导体和绝缘体不同的导电特性：常用的半导体材料是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。硅原子Si锗原子Ge+4.2本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。本征半导体中的共价键结构1.本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的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，称为空穴。空穴是半导体区别于导体的一个重要特点。自由电子空穴这一现象称为本征激发，也称热激发。2.本征半导体中的两种载流子电子空穴对可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。本征激发动画演示导电机理本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。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。在外加电场的作用下，电子和空穴会产生定向移动，形成电流而导电。小结：晶体中存在着两种带电的粒子（自由电子、空穴），又称载流子.3.杂质半导体(1)N型半导体(2)P型半导体

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。1.N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素（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。++++++++++++磷原子硅原子施主离子自由电子电子空穴对多余电子N型半导体在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。2.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型半导体硅原子空穴硼原子－－－－－－－－－－－－电子空穴对空穴受主离子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。N型半导体P型半导体++++++++++++－－－－－－－－－－－－杂质半导体的示意图多子—电子少