中职教育二年级上学期装备制造大类《半导体基础知识》教学设计

半导体基础知识教学设计学校名称：重庆市科能高级技工学校部门：智能工程系课题名称半导体基础知识所属课程模拟电子技术基础教材版本《模拟电子技术基础》刘晓书王毅主编北京理工大学出版社教学对象机电类专业二年级学生学时2学时一、教学主要内容1.本征半导体2.杂质半导体3.PN结的形成与特性二、教学目标素质目标1.养成安全的行为规范，注重人身安全和设备安全；2.注重职业责任心、职业情感、纪律意识的养成，逐步养成学生职业素养；3.培养学生相互协作的团队意识，解决操作过程遇到的随机问题。知识目标1.能描述本征半导体2.能描述N型、P型半导体3.能描述PN结的形成与特性技能目标会分析PN结的单向导电性三、教学重难点（一）教学重点：1.能描述N型、P型半导体2.能描述PN结的形成与特性（二）教学难点：PN结的形成四、教法与学法本着以“行动为导向，工学一体”的设计理念，采用“教学做一体”的教学形式。课堂采用行动导向六步法的项目教学法和仿真实验法，学法才用了自主探究法、分组实验法和任务驱动法。教法：行动导向法学法：自主探究法、分组实验法、任务驱动法五、教学资源及手段本课程资料较完备，动画，作业，测试等模块均已实际运用；同时通过学习通进行课堂教学的应用，及新教学资源的生成；大力推荐学生主动利用发达的网络资源，获取更多的优质信息，如技工教育网，微信公纵平台等。设备工具：电脑、手机学习平台：在一体化教室进行，老师使用多媒体讲解六、课程思政PN

结的单向导电性就如同我们每个人的人生路程一样是单向的，因此我们要控制自己不能做错事，负责不能回头。七、教学内容一、本征半导体不含杂质的纯净半导体称为本征半导体。本征半导体的原子按照一定规律整齐排列形成晶体结构。半导体材料硅、锗都是四价元素，它们是以共价键结构形成晶体的。硅原子最外层有四个价电子，一个硅原子与周围的四个硅原子组成四对共用价电子，称为共价键结构。共价键结构的单晶体硅原子最外层有8个电子。硅原子的共价键结构示意图如图1.17所示。共价键中的束缚电子共价键中的束缚电子图1.17硅原子的共价键结构示意图在绝对零度、没有光照时，共价键结构的单晶体半导体硅原子的电子为全部为束缚电子，没有可以自由运动的电子，这时的半导体不导电，其特性相当于绝缘体。单晶体硅受热或被光照时，共价键中的束缚电子获得足够能量可能挣脱束缚而成为自由电子，同时在相应的位置留下一个空穴。本征半导体中的电子与空穴是成对出现的。硅原子共价键结构中的电子-空穴对示意图如图1.18所示。空穴自由电子空穴自由电子图1.18硅原子共价键结构中的电子-空穴对空穴因为失去电子而带正电，它会吸引其它的价电子来填补自己的空穴，这样就会产生新的空穴。当电子向一个方向连续填补空穴时，相当于带正电的空穴向相反的方向移动。因此，电子与空穴都是一种运载电荷的粒子，简称载流子。电子与空穴向相反方向运动，形成同一方向的电流。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。本征半导体受热或者被光照产生电子-空穴对的现象称为本征激发。本征激发使半导体载流子浓度增加，导电能力增强。温温度升高使半导体导电性增强的现象称为半导体的热敏性。光照使半导体导电性增强的现象称为半导体的光敏性。在本征半导体内掺入特殊的微量元素能使导电性猛增的现象称为半导体的掺杂性!二、杂质半导体本征半导体载流子浓度很低，导电性很差，没有利用价值。在本征半导体内掺入特殊的微量元素，可以得到导电性显著增强的N型与P型两类杂质半导体。1.N型半导体在本征半导体中掺入微量的五价元素如磷（P），由于磷原子有5个价电子，在与相邻的四个硅（锗）原子组成共价键时，会多一个价电子而成为自由电子。每掺入一个磷原子就会产生一个自由电子，即使掺入微量的磷也会产生数量巨大的自由电子。这种杂质半导体受热激发时也会产生电子－空穴对，但是这种杂质半导体中自由电子数量大大超过空穴，主要靠电子导电，因此称为电子半导体，简称N型半导体。N型半导体结构示意图如图1.19所示。掺杂带入的自由电子掺杂带入的自由电子图1.19N型半导体结构示意图2、P型半导体在本征半导体中掺入微量的三价元素如硼（B），由于硼原子只3个价电子，在与相邻的四个硅（锗）原子组成共价键时，会少一个价电子而多一个空穴。每掺入一个硼原子就会产生一个空穴，即使掺入微量的硼也会产生数量巨大的空穴。这种杂质半导体受热激发时也会产生电子－空穴对，但是这种杂质半导体中空穴数量大大超过自由电子，主要靠空穴导电，因此称为空穴半导体，简称P型半导体。P型半导体结构示意图如图1.20所示。掺杂带入的空穴掺杂带入的空穴图1.20P型半导体结构示意图三、PN结的形成及其单向导电性1.PN结的形成通过特殊工艺把P型半导体与N型半导体结合在一起，P型半导体中浓度高的多子空穴向N区扩散并与N区的自由电子复合。N型半导体中浓度高的多子自由电子向P区扩散并与P区的空穴复合。多子扩散的结果是在P型与N型半导体交界面的P区形成带负电且不能移动的负离子，N区形成带正电且不能移动的正离子。这些不能移动的正负离子在交界面两侧形成空间电荷区，空间电荷区中的正负离子形成了一个由N区指向P区的内电场。空间电荷区越厚，内电场越强。在多子扩散的同时，半导体中的少子也会由浓度低的区域向浓度高的区域的运动。这种由浓度低的区域向浓度高的区域的少子运动称为漂移。在空间电荷区开始形成时，扩散运动占优势，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐加强。空间电荷区形成的内电场阻碍多子的扩散运动，增强少子的漂移运动。当扩散运动与飘逸运动达到动态平衡时，在交界面两侧就形成一个稳定宽度的空间电荷区，这个空间电荷区称为PN结。PN结的形成示意图如图1.21所示。a）多子扩散b）空间电荷区（PN结）形成图1.21PN结的形成空间电荷区的多子因扩散而耗尽，故空间电荷区又称耗尽层。空间电荷区的内电场阻碍多数载流子继续扩散，因此空间电荷区也称为阻挡层。空间电荷区的宽度一般只有几微米。2.PN结的单向导电性（1）PN结正向偏置导通将P区接电源的正极，N区接电源的负极，称为PN结正向偏置，简称PN结正偏。PN结正偏的外电场方向与与内电场方向相反，从而削弱了内电场，使阻挡层（空间电荷区）变薄，让多数载流子顺利扩散通过PN结形成正向电流。PN结正向偏置时呈低阻抗状态，即PN结正偏导通。通过PN结的正向电流随着正偏电压的增大而增大。PN结正向偏置示意图如图1.22所示。多数载流子顺利扩散越过PN结形成正向电流多数载流子顺利扩散越过PN结形成正向电流图1.22PN结正向偏置示意图（2）PN结反向偏置截止将P区接电源的负极，N区接电源的正极，称为PN结反向偏置，简称PN结反偏。PN结反偏的外电场方向与与内电场方向相同，从而增强了内电场，使阻挡层（空间电荷区）变厚，让多数载流子的扩散运动难以进行。方向相同的内外电场加强少数载流子的漂移通过PN结形成反向电流。在温度一定时少子的浓度基本保持不便，反向电流不随反向电压的增大而增大，因此反向电流又称为反向饱和电流。少数载流子的浓度很低，反向饱和电流很小，近似为零，即PN结反偏时呈高阻抗状态，PN结反偏截止。PN结反向偏置示意图如图1.23所示。少数载流子漂移越过PN结形成反向电流少数载流子漂移越过PN结形成反向电流图1.23PN结反向偏置示意图八、课程小结今天我们学