半导体基础知识

1、半导体基础知识-教学目标(1)知识目标：认识什么是半导体，半导体的材料物理特性，电特性等概念。(2)能力目标：通过类比，让同学们认识到空穴，电子等概念，半导体的工作原理。(3)情感目标：通过图解法与等效电路法的对比，使学生体验到两种方法能 化难为简美妙之处，调动学生学习数学的积极性。二.教学重点1、pn 结的单向导电性;2、pn 结的伏安特性。三.教学难点1、半导体的导电机理:两种教流子参与导电；2、掺杂半导体中的多子和少子；3、pn 结的形成。四.教学方法演示法、讲授法五.教学时数3 学时。六.教学过程1 .新课导入在本节课中， 教师利用电子元件在日常生活中的应用(声光控开关、 红 绿灯、玩

2、具等)引出本课的内容一一电子元件半导体。 这样会让学生感觉到 二极管在生活中的重要性，激发学生探究新知的欲望。2 .新课讲解2.1本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。一、导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体： 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间， 称为半导体， 如 错、硅、硅化钱和一些硫化物、氧化物等。半导体的导电机理不同于其它物质， 所以它具有不同于其它物质的特点。 例 如：1、当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。2、往纯净的半导体中掺入某些杂质

3、，会使它的导电能力明显改变。二、本征半导体的晶体结构完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。将硅或错材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。当温度 t = 0 k 时，半导体不导电，如同绝缘体。三、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相 反。由于载流子数目很少，故导电性很差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0k 时不 导电。四、本征半导体中载流子的浓度当导体处于热力学温度 0k 时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以

4、挣脱原子核的束缚而参与导电，成 为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电 子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且 自由电子数和空穴数相等。2.2 杂质半导体掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 杂质半导体是半导体器件的基本材 料。一、n 型半导体本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。 杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受 自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子浓度远

5、大于空穴的浓度，即n po电子称为多数教流子（简称多子），空穴称为少数教流子（简称少子）o5 价杂质原子称为施主原子。二、p 型半导体在硅或错的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如硼、钱、锢等，即构成 p 型 半导体。3 价杂质原子称为受主原子。空穴浓度多于电子浓度，即p n.空穴为多数载流子，电子为少数载流 子。2.3 pn 结在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 p 型半导体，另一侧掺杂成为 n 型半导 体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 pn 结。一、pn 结的形成半导体中的载流子有两种有序运动：教流子在浓度差作用下的扩散运动和电 场作用下的漂移运动。同一块半导体单晶上形成 p

6、型和 n 型半导体区域，在这两 个区域的交界处，当多子扩散与少子漂移达到动态平衡时，空间电荷区（亦称为 耗尽层或势垒区）的宽度基本上稳定下来，pn 结就形成了。二、pn 结的单向导电性1. pn 结 外加正向电压时处于导通状态，乂称正向偏置，简称正偏。在 pn 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电 流过大，可接入电阻几2. pn 结外加反向电压时处于截止状态（反偏）反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使 空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流， 电路中产生反向电流 1;由于少数教流子浓度很低，反向电流数值非常小。

7、综上所述：当 pn 结正向偏置时， 回路中将产生一个较大的正向电流， pn 结处于导 通状态；当 pn 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，pn 结处于截 止状态。三、pn 结的电流方程pn 结所加端电压 u 与流过的电流 i 的关系为1 =小啖一 1)四、pn 结伏安特性i = ie( rupn 结伏安特性方程：,式中：is 为反向饱和电流；ut 为温度电压当量，当 t = 300k 时，t 26mvh/, 当 u0 且 u u时，伏安特性呈非线性指数规律；当 uvo 且|u|/时，电流基本与 u 无关；由此亦可说明 pn 结 具有单向导电性能。pn 结的反向击穿特性：当 pn 结的反向电压增大到一定值时，反向电流随电 压数值的增加而急剧增大。pn 结的反向击穿有两类：齐纳击穿和雪崩击穿。无 论发生哪种击穿，若对其电流不加以限制，都可能造成pn 结的永久性损坏。 五、pn 结的电容效应 1.势垒电容pn 结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释 放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容 d。2.扩散电容pn 结外加的正向电压变化时， 在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变 化， 也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容6do七、课堂小结