半导体基本知识及PN结的形成过程.doc

秦皇岛职业技术学校教案纸(正页)模块晶体二极管课型讲授授课日期课题 半导体基本知识及PN结的形成过程教学目标知识目标 半导体基本知识，理解PN结的形成过程；能力目标 认识二极管，会用单向导电性分析简单电路工作原理情感目标 初步认识电子线路，激发学习性趣。重点PN结的形成过程二极管的单向导电性难点PN结的形成过程资源实验电路与课件演示教法学法实验与讲授相结合观察、讨论教学过程备注导入：在现代社会中，人们无时无刻不在使用电子产品，如通讯设备，电视，电脑，医疗设备，各种自动化生产设备等，这些都和电子技术密切相关。电子设备中常用的电阻，电容，变压器和 开关等，称为元件，电子管、晶体管（半导体管）称为器件。电子元器件利用电子运动规律控制电路中能量状态的改变。没有电子元器件，就没有电子技术。由电子元器件组成的电路，就是电子线路。今天，我们就来学习一种既简单又非常重要的器件- 二极管。 新授：请同学们观察下面的实验： 现象：（同学回答）为什么会出现这种现象呢？ 我们都知道内因决定外因，内部结构决定外部特性，之所以会有这种特性，就是由二极管内部结构决定的。半导体物理基础知识 物质根据其导电性能分为 导体：导电能力良好的物质。 绝缘体：导电能力很差的物质。 半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之 间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。我们常说的电子器件所用的半导体材料是指硅、锗、砷化镓。利用这些材料可以制造出各种用途的电子器件，如：三极管、二极管、稳压管等。其中用硅和锗材料的杂质半导体最为常见。下面就简单介绍一下半导体的基本知识。1.1 本征半导体硅和锗都是晶体，且都是四价元素，它们的原子是有规则地排列着，以硅为例，硅的每个原子均和相邻四个原子之间各拿出一个电子形成四个共价键。共价键内的两个价电子称为束缚电子，它们受原子核引力的约束形成一种稳定的结构。如果没有足够的外加能量,电子是不易摆脱共价键束缚的。我们称这种纯净的、结构完整的晶体结构的半导体为本征半导体（又称纯净半导体）。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶，硅和锗的单晶称为本征半导体，它是制造半导体器件的基本材料。物质的导电能力是与物质当中能够参与导电的载流子的数目有关,也就是与载流子浓度的大小有关。在金属中只有一种载流子自由电子，它是原子的外层电子。因为金属的外层电子很容易摆脱原子核的约束，成为自由移动的电子，使金属导电有了可能。本征半导体的导电能力很弱，因为它的外层电子形成了共价键，价电子不容易摆脱束缚，也就不会有很多自由电子存在。载流子浓度小，自然导电能力差。但在一定的温度下，还是有一些共价键中的电子吸收热能，获得足够的能量挣脱出来成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位，叫空穴。自由电子和空穴是成对出现的。我们把这个过程叫本征激发。同时还存在一个相反的过程，价电子成为自由电子后，由于热骚动，有可能自由电子又会和空穴相遇，释放出能量，使空穴和自由电子消失，我们把这个过程叫复合。在一定的温度下，本征激发和复合会达到一种动态平衡，形成一定浓度的自由电子，及相同浓度的空穴。自由电子和空穴在半导体中都可以移动，因此他们都是载流子。这与金属是不同的，金属中只有一种载流子，自由电子。在本征半导体中，自由电子和空穴的浓度公式为：ni=pi导体中，自由电子是多数载流子，简称多子；而空穴是少数载流子，简称少子。本征半导体中只有少量的载流子。它的导电能力很弱。掺入的五价元素的每一个原子都可提供一个自由电子，从而使自由电子的数目大大增加，远远超过由热激发而产生的空穴。故将这种半导体称为电子型半导体，或N型半导体。在N型半N型半导体掺入的三价元素的每一个原子都可提供一个空穴，而使空穴的数目大大增加，远远超过由热激发而产生的空穴。故将这种半导体称为空穴型半导体，或P型半导体。在P型半导P型半导体体中，空穴是多数载流子，简称多子；而自由电子是少数载流子，简称少子。1.2结的形成（1）当型半导体和型半导体结合在一起时，由于交界面处存在 载流子浓度的差异 ，这样电子和空穴都要 从浓度高的地方向浓度低的地方扩散 。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使区和区中原来的电中性条件破坏了。区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为 空间电荷 ，它们集中在区和区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的 结 。 图（1）浓度差使载流子发生扩散运动 （2）在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为 耗尽层 。 （3）区一侧呈现负电荷，区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由区指向区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为 内电场 。 图（2）内电场形成 （4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是 内电场将阻碍多子的扩散 ，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方， 使空间电荷区变窄 。 （5）因此， 扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即 结处于动态平衡 s。 2结的单向导电性 （1） 外加正向电压 （正偏） 在外电场作用下，多子将向结移动，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移，扩散运动起主要作用。结果，区的多子空穴将源源不断的流向区，而区的多子自由电子亦不断流向区，这两股载流子的流动就形成了结的正向电流。 （2） 外加反向电压 （反偏） 在外电场作用下，多子将背离结移动，结果使空间电荷区变宽，内电场被增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散，漂移运动起主要作用。漂移运动产生的漂移电流的方向与正向电流相反，称为反向电流。 因少子浓度很低