半导体P-N结形成及其电压电流特性教学设计

1、导体 P-N 结形成及其电压电流特性 ”教学设计专业：应用物理（光伏方向） 适用对象：本科 3 年级学生 教学背景：太阳能电池是一种将光能直接转化成电能装置， 如果太阳电池要正常工作就 必须进过以下四个过程： 必须有光的照射，光可以为单色光、太阳光或者模拟太阳光； 光子注入到半导体内后，产生电子 -空穴对，且有足够长的寿命以保证在 分离之前不会发生复合现象； 电池器件体内存在一个驱动力， 在其作用下使得电池体内电子 - 空穴对分 离，电子集中在一边， 而空穴集中在另一边。 目前绝大部分太阳能电池都是利用P-N 结形成的静电场促使电子 -空穴分离； 被分离的电子和空穴经由电极收集后流进外电路。由

2、以上四个过程可以看出，半导体 P-N 结可以看成太阳能电池的“心脏起 搏器”，其特性直接影响到太阳能电池的工作效率。 因此，了解和掌握半导体 P-N 结形成以及其电流电压特性是进一步学习太阳能电池器件物理的基础。教学目标：1、2、了解半导体 P-N 结定义；掌握内建电场、空间电荷、空间电荷区、 扩散电流及漂移电流等相关概念；理解半导体 P-N 结如何形成，其实质 是什么。利用“内建电场”性质判断半导体 P-N 结电流-电压特性，引导学生 得出“正偏导通，反偏截止”的结论。教学方法：本节课以课堂讲授法为主， 通过多媒体中的动画演示辅以文字说明完成上述 两点教学目标；以“专业背景及前置知识的引入-

3、半导体P-N结相关知识讲解（穿 插提问、引导、解答等师生互动） -课堂小结”等环节组织教学活动。课程设计：1. 专业背景及前置知识的引入：P-N 结是多数半导体器件的核心、 是集成电路的重要组成部分、 也是我们这个专业方向研究的主要对象 -太阳能电池的主要构成单元。因此，了解PN 结的 性质，如它的电压 -电流特性，是掌握太阳能电池如何实现光电转化原理的基础让学生意识到本节课与其专业的相关性）既然要学习P-N结，其组成部分P型半导体与N型半导体各自的定义（以 提问的形式引出）。结合PPT讲解：P型半导体：在硅（或锗）晶体中掺入微量的三价元素硼, 空穴是多子， 电子是少子， 空穴是主要导电机构，

4、 因此我又把 P 半导体叫做空穴半导体；N型半导体：同样是在硅（或锗）晶体中掺入为微量的五价元素磷，电子是多子，空穴是少子，电子是主要导电机构，我们把N 型半导体叫电子半导体。2. 半导体 P-N 结相关知识讲解提出问题1:既然，现在我们知道了 P型半导体和N 型半导体， 那么大家想在两者结合的界面处将象下，如果我们这两种不同导电类型的半导体结合起来，会是个怎样情况？（让学生思考片刻，看学生反应，接下来结合PPT内容讲解）结合PPT第4页图2讲解引出内建电场（以及方向由N指向P）、空间电荷、 空间电荷区概念，理解他们的形成原因就是 P、N 型半导体多数载流子相互扩散 造成的驱动力载流子的浓度差

5、。提出问题 2： “空间电荷区”是由多子的扩散运动造成的，那么这个扩散 过程会不会一直持续下去呢？（让学生思考片刻，看学生反应，接下来结合 PPT 内容讲解）结合PPT第4页图3、4引处热平衡状态下半导体 P-N结概念，得出其实质 就是载流子在内建电场作用下发生的漂移电流和在 “浓度差”作用下引发的扩散 电流由于大小相等，方向相反，因此相互抵消，达到一个动态平衡。得到一系列 性质：空间电荷数量此时保持不变， 空间电荷区宽度保持不变， 该区内的内建电 场强度为定值，因此给出问题 2结论：扩散过程不会一直持续。提出问题 3：如果在热平衡状态下的 PN 结两端施加一定电压，情况又会是怎样的呢？（让学

6、生思考片刻，看学生反应，接下来结合PPT内容讲解）结合PPT第5页图5、6给出在热平衡状态下半导体 P-N结概念施加正、反 向电压概念，从外加电压引发的电场方向与 P-N 结自身内建电场方向异同角度 出发，正偏内建电场削弱，扩散电流增大（多子扩散，数量多） ；反偏内建电场 加强，漂移电流增大（少子漂移，热激发产生，数量少） ，因此得出结论：“正偏 导通，反偏截止”的结论。运用相关例子（PPT第6页图7硅基P-N结的电流-电压特性图）以及数学 公式描述“正偏导通，反偏截止”的结论，使得学生理论结合实际，加深对该结 论的理解。3. 课堂小结给出 P-N 结半导体的准确定义：通过特殊的工艺（可以是我

7、们书本上提到 的扩散法，合金法，薄膜生长法，离子注入法），使一块半导体一边形成P型半 导体，另一边形成 N 型半导体，在这两种半导体的交界处，就会形成一个具有 特殊导电性能的过渡层，这个过渡层就是“空间电荷区”，我们将其称为P-N结。提出问题4:那么就这个定义，在这里抛出个问题，是不是将 P型半导体和N 型半导体简单结合起来就制备成我们所需要的 P-N 结了呢，刚才我们的动画演 示第 4 页图 1、 2 就是这样的（诱发学生错误理解，看学生反应）？给出答案：然不是，我们所说的 P-N结，是指在P型半导体和N型半导体 的在结合界面上有原子层次的共价键的键合， 这意味结合界面是连续的， 而不是 简单物理意义上的结合， 在定义里面就体现出一块半导体， 我们是在一块半导体 上制备的 P-N 结。解决 P-N 结形成的原因： PN 结的实体就是空间电荷区，形成原因就是多子 扩散运动所造成的。解析了 PN 为什么具有结特殊的导电性能原因，并得到以下两个结论： 给PN结加正向电压时，PN结呈现低阻，具有较大的正向扩散电流。 给PN结加反向电压时，PN结呈现高阻，具有很小的反向漂移电流。一句话总结 PN 结的定义中所提到的特殊导电性能， “正偏导通，反偏截止”。教学总结：1. 本课程安排的内容由浅入深，课程设计中所涉及到的内容之间均已提问的形