半导体的基础知识教案

课 程 电子电工 教 师 张 丽 娟 教学班级 教学题目 半导体的基础知识 计划课时 30 分钟 授课时间 7 月 15 日 教学方法 讲授法 知识目标：1、了解本征半导体 2、掌握杂质半导体 3、掌握 PN 结的形成及特性 能力目标：培养学生的分析能力，为以后分析电路而做准备。教学目标 情感目标：培养学生参与、合作意识，激发学生学习兴趣和乐于探究的精 神。 重点：杂质半导体、PN 结的特性教学重点 与难点 难点：PN 结的形成 教学活动流程 教学步骤 教学内容 教学方法 时间 一、复习 引入 复习内容： 引入新课： 构成各种电子电路最基本的元件是半导体器件。 常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。 电子器件中的半导体器件是用半导体材料制成的。 物质按其导电能力的强弱，可分为导体、绝缘体和半导体。 1、导体：导电能力很强的物质，叫导体。如低价元素铜、铁、 铝等。 2、绝缘体：导电能力很弱，基本上不导电的物质,叫绝缘体. 如高价惰性气体和橡胶、陶瓷、塑料等高分子材料等. 为什么物质的导电能力有如此大的差别呢？这与它们的原子 结构有关，即与它们的原子最外层的电子受其原子核束缚力 的强弱有关。 复习 提问 师生 共述 5 分 钟 二、新课 讲解 半导体的基础知识 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅(Si)、 锗(Ge)。硅和锗是 4 价元素，原子的最外层轨道上有 4 个价 电子。 一、本征半导体 本征半导体：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。 本征半导体的物质结构：在电子器件中,用得最多的材料是硅 和锗,硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有 4 个电子, 称为价电子。每个原子的 4 个价电子不仅受自身原子核的束 缚,而且还与周围相邻的 4 个原子发生联系,这些价电子一方 面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所 属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起, 称为共价键结构。 自由电子与空穴：共价键中的价电子由于热运动而获得一定 的能量，其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子， 同时必然在共价键中留下空位，称为空穴。空穴带正电。 教师 分析 并提 醒学 生注 意 20 分 钟 半导体的导电性：在外电场作用下，自由电子产生定向移动， 形成电子电流；另一方面，价电子也按一定方向依次填补空 穴，即空穴产生了定向移动，形成所谓空穴电流。 载流子：由此可见，半导体中存在着两种载流子：带负电的 自由电子和带正电的空穴。本征半导体中自由电子与空穴是 同时成对产生的，因此，它们的浓度是相等的。 载流子的浓度：价电子在热运动中获得能量摆脱共价键的束 缚，产生电子空穴对。同时自由电子在运动过程中失去能 量，与空穴相遇，使电子空穴对消失，这种现象称为复合。 在一定的温度下，载流子的产生与复合过程是相对平衡的， 即载流的浓度是一定的。本征半导体中的载流子浓度，除了 与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关，当本征 半导体所处环境温度升高或有光照射时，其内部载流子数增 多，导电能力随之增强。所以半导体载流子的浓度对温度十 分敏感。上述特点称为本征半导体的热敏性和光敏性，利用 这些特点可以制成半导体热敏元件和光敏元件。 半导体的导电性能与载流子的浓度有关，但因本征载流子在 常温下的浓度很低，所以它们的导电能力很差。当我们人为 地、有控制地掺入少量的特定杂质时，其导电性将产生质的 变化。 二、杂质半导体 在本征半导体中掺入适量且适当的其他元素（叫杂质元素） ， 就形成杂质半导体，其导电能力将大大增强。因掺入杂质不 同，杂质半导体可分为空穴（P）型和电子(N)型半导体两类。 1、P 型半导体 在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素（如硼元素） 。硼原子只 有 3 个价电子,它与周围硅原子组成共价键时,因缺少一个电子,在晶体 中便产生一个空穴。这个空穴与本征激发产生的空穴都是载流子,具有 导电性能。在 P 型半导体中,空穴数远远大于自由电子数,空穴为多数载 流子(多子 ),自由电子为少数载流子(少子) 。导电以空穴为主,故此类半 导体称为空穴(P)型半导体。 2、N 型半导体 在纯净的半导体硅（或锗）中掺入微量五价元素（如磷元素）后, 就可成为 N 型半导体。在这种半导体中 ,自由电子数远大于空穴数，自 由电子为多数载流子(多子)；空穴为少数载流子(少子), 导电以电子为主, 故此类半导体称为电子（N）型半导体。 总结半导体的特点： 1导电能力介于导体与绝缘体之间 2受外界光和热的刺激时，导电能力会产生显著变化。 3. 在纯净半导体中，加入微量的杂质，导电能力急剧增强。 三、PN 结的形成及特性 1. PN 结的形成 在一块完整的晶片上,通过一定的掺杂工艺,一边形成 P 学生 自己 总结 型半导体,另一边形成 N 型半导体。在交界面两侧形成一个带 异性电荷的离子层,称为空间电荷区,并产生内电场,其方向是 从 N 区指向 P 区,内电场的建立阻碍了多数载流子的扩散运动, 随着内电场的加强,多子的扩散运动逐步减弱,直至停止,使交 界面形成一个稳定的特殊的薄层,即 PN 结。因为在空间电荷 区内多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗尽了, 因此空间电荷区又称为耗尽层。 2. PN 结的单向导电特性 在 PN 结两端外加电压,称为给 PN 结以偏置电压。 1) PN 结正向偏置 给 PN 结加正向偏置电压,即 P 区接电源正极,N 区接电源 负极,此时称 PN 结为正向偏置(简称正偏),如图 1.6 所示。由 于外加电源产生的外电场的方向与 PN 结产生的内电场方向相 反,削弱了内电场,使 PN 结变薄,有利于两区多数载流子向对 方扩散,形成正向电流,此时 PN 结处于正向导通状态。 图 1.6 PN 结加正向电压 图 1.7 PN 结加反向电压 2) PN 结反向偏置 给 PN 结加反向偏置电压,即 N 区接电源正极,P 区接电源 负极,称 PN 结反向偏置(简称反偏),如图 1.7 所示。 由于外加电场与内电场的方向一致,因而加强了内电场,使 PN 结加宽,阻碍了多子的扩散运动。在外电场的作用下,只有 少数载流子形成的很微弱的电流,称为反向电流。此时 PN 结 内几乎无电流流过，PN 结处于反向截止状态。 综上所述,PN 结具有单向导电性,即加正向电压时导通,加 反向电压时截止 三、小结 1、本征半导体 2、杂质半导体 3、PN 结的形成及特征 4 分 钟 四、作业 什么事 PN 结？简单地把一块 P 型半导体和一块 N 型半导体接触在一起，能够形成 PN 结吗？ 1