高二物理競賽課件半導(dǎo)體二極管極其基本電路

半導(dǎo)體二極管極其基本電路

半導(dǎo)體二極管極其基本電路半導(dǎo)體的基本知識PN結(jié)的形成與特性半導(dǎo)體二極管★

二極管基本電路極其分析方法特殊二極管半導(dǎo)體的基本知識本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性雜質(zhì)半導(dǎo)體

在物理學(xué)中。根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109

cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。它們都是4價元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。半導(dǎo)體的特點：1）光敏感特性，導(dǎo)電能力發(fā)生顯著變化，光敏元件，光電二極管2）熱敏特性，導(dǎo)電能力發(fā)生顯著變化，熱敏元件；3）摻雜特性。摻進微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增加3.1.1本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性

(1)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)(2)電子空穴對

(3)空穴的移動

本征半導(dǎo)體——完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài),原子按一定的規(guī)則整齊地排列（空間點陣）而成。載流子——可以自由移動的帶電粒子。電導(dǎo)率——與材料單位體積中所含載流子數(shù)有關(guān)，載流子濃度越高，電導(dǎo)率越高。

(1）本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖2-1。

圖2-1硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖(c)

（2）電子空穴對當(dāng)本征半導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。載流子——可以自由移動的帶電粒子?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖2-2所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。圖2-2本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動畫1-1）

(3)空穴的移動

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。見圖2-3的動畫演示。（動畫1-2）圖2-3空穴在晶格中的移動

(1）N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為