第一篇：56半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)電子教案

第5,6學(xué)時(shí)

? 授課題目（教學(xué)章節(jié)或主題）：半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)。本授課單元教學(xué)目標(biāo)或要求：

掌握半導(dǎo)體特性、載流子的運(yùn)動(dòng)、PN結(jié)以及三種光電效應(yīng)；了解能帶理論、PN結(jié)的三種接觸方式。

? 本授課單元教學(xué)內(nèi)容（包括基本內(nèi)容、重點(diǎn)、難點(diǎn)，以及引導(dǎo)學(xué)生解決重點(diǎn)難點(diǎn)的方法、例題等）： * 基本內(nèi)容：

引入：

光電器件：半導(dǎo)體制作而成。理論基礎(chǔ)很重要，有助于深入理解其原理及靈活運(yùn)用。關(guān)于半導(dǎo)體的物理基礎(chǔ)，許多專門著作都有系統(tǒng)的論述。這里僅介紹與光電器件有關(guān)的半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)。

自然界中的物質(zhì)：氣體、液體或固體。這里主要是討論可以制作光電器件的固體半導(dǎo)體材料。

固體：

按其原子排列，可以分成晶體與非晶體兩類；

按導(dǎo)電能力，則可分成導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三種。

-6-3導(dǎo)體：l0一10Ω·cm范圍內(nèi)的物質(zhì)稱為(如銀、銅、鋁、鐵等金屬)；

12絕緣體：電阻率在10Ω·cm以上的物質(zhì)稱為(如塑料、陶瓷、橡皮、石英玻璃等)； 半導(dǎo)體：電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。

它們?nèi)咧g雖然在電阻率的區(qū)分上無(wú)絕對(duì)明確的界限，但在性質(zhì)上卻有極大的差別。由于半導(dǎo)體具有許多特殊的性質(zhì)，因而在電子工業(yè)與光電工業(yè)等方面占有極其重要的地位。

（一）半導(dǎo)體的特性

1、電阻溫度系數(shù)一般都是負(fù)的，對(duì)溫度的變化十分敏感；

衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù)，其定義為溫度每升高1°C時(shí)電阻值發(fā)生變化的百分?jǐn)?shù)。如果設(shè)任一電阻元件在溫度t1時(shí)的電阻值為R1，當(dāng)溫度升高到t2時(shí)電阻值為R2，則該電阻在t1 ~ t2溫度范圍內(nèi)的(平均)溫度系數(shù)為a，如果R2 > R1，則 a > 0，將R稱為正溫度系數(shù)電阻，即電阻值隨著溫度的升高而增大；如果R2 < R1，則 a < 0，將R稱為負(fù)溫度系數(shù)電阻，即電阻值隨著溫度的升高而減小。顯然 a 的絕對(duì)值越大，表明電阻受溫度的影響也越大。

大多數(shù)半導(dǎo)體都具有負(fù)的溫度系數(shù)，溫度低時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。

也有一些不是用半導(dǎo)體制成的特殊的光電器件具有負(fù)溫度系數(shù)。如，NTC熱敏電阻器。

NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。

所謂NTC熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。

這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因此，也具有負(fù)溫度系數(shù)。

NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10Ω~1000000Ω，溫度系數(shù)-2%~-6.5%。

NTC熱敏電阻器可廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場(chǎng)合。

2、導(dǎo)電性能可受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化；

-6-1-1如純硅在室溫下的電導(dǎo)率為5×10Ω·cm，當(dāng)摻入硅原子數(shù)的百萬(wàn)分之一的雜質(zhì)時(shí)；其純度雖仍高達(dá)99．9999％，但電導(dǎo)率卻上升至2Ω·cm，幾乎增加了一百萬(wàn)倍！此外，隨著所摻入的雜質(zhì)的種類不同，可以得到相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體。如在硅中摻入硼，可得到P型半導(dǎo)體；摻入銻可得到N型半導(dǎo)體。

3、導(dǎo)電能力及性質(zhì)會(huì)受熱、光、電、磁等外界總有的影響而發(fā)生非常重要的變化。

例如沉積在絕緣基板上的硫化鎘層不受光照時(shí)的阻抗可高達(dá)幾十甚至幾百兆歐，但一旦受到光照，電阻就會(huì)下降到幾十千歐，甚至更小。

常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒等元素半導(dǎo)體，砷化鎵(GaAs)、鋁砷化鎵(Ga1-xAlxAs)、銻化姻(InSb)、硫化鎘(CdS)和硫化鉛(PbS)等化合物半導(dǎo)體，還有如氧化亞銅的氧化物半導(dǎo)體，如砷化鎵—磷化鎵固熔體半導(dǎo)體，以及有機(jī)半導(dǎo)體、玻璃半導(dǎo)體、稀土半導(dǎo)體等等。利用半導(dǎo)體的特殊性質(zhì)，制成了熱敏器件、光電器件、場(chǎng)效應(yīng)器件、體效應(yīng)器件、霍耳器件、紅外接收器件、電荷稠合器件、攝象管及各種二極管、三極管、集成電路等半導(dǎo)體器件。下面將重點(diǎn)介紹有關(guān)光電器件。

為了解釋固體材料的不同導(dǎo)電特性，人們從電子能級(jí)的概念出發(fā)引入了能帶理論。它是半導(dǎo)體物理的理論基礎(chǔ)，應(yīng)用能帶理論可以解釋發(fā)生在半導(dǎo)體中的各種物理現(xiàn)象和各種半導(dǎo)體器件的工作原理。

1二、能帶理論

1、原子中電子的能級(jí)

大家知道，原子是由一個(gè)帶正電的原子核與一些帶負(fù)電的電子所組成。這些電子環(huán)繞著原子核在各自的軌道上不停地運(yùn)動(dòng)著。根據(jù)量子論，電子運(yùn)動(dòng)有下面三個(gè)重要特點(diǎn)：

(1)電子繞核運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級(jí)。圖2-7是硅原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道及與其相應(yīng)的能級(jí)示意圖。原子中14個(gè)電子分別有14種不同的量子態(tài)，分布在離原子核遠(yuǎn)近不同的三層軌道上。最里層的量子態(tài)，電子距原子核最近，受原子核束縛最強(qiáng)，能量最低。越外層的量子態(tài)，電子受原子核束縛越弱，能量越高。電子可以吸收能量從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上去。電子也可以在一定條件下放出能量重新落回到低能級(jí)上來(lái)。但不可能有介于各能級(jí)之間的量子態(tài)存在。

量子態(tài)是由一組量子數(shù)表征，這組量子數(shù)的數(shù)目等于粒子的自由度數(shù)。

(2)由于微觀粒子具有粒子與波動(dòng)的兩重性，因此，嚴(yán)格說(shuō)原子中的電子沒(méi)有完全確定的軌道。但為方便起見(jiàn)，我們?nèi)杂谩败壍馈边@個(gè)詞，這里的“軌道”所代表的是電子出現(xiàn)幾率最大的一部分區(qū)域。

(3)在一個(gè)原子或原子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)電子同屬于一個(gè)量子態(tài)，即在每一個(gè)能級(jí)中，最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子，這就是泡利不相容原理。此外，電子首先填滿最低能級(jí)，而后依次向上填，直到所有電子填完為止。

2、晶體中電子的能帶

晶體：原子、離子或分子按照一定的周期性在空間排列形成在結(jié)晶過(guò)程中形成具有一定規(guī)則的幾何外形的固體。

晶體通常呈現(xiàn)規(guī)則的幾何形狀，就像有人特意加工出來(lái)的一樣。其內(nèi)部原子的排列十分規(guī)整嚴(yán)格，比士兵的方陣還要整齊得多。如果把晶體中任意一個(gè)原子沿某一方向平移一定距離，必能找到一個(gè)同樣的原子。而玻璃、珍珠、瀝青、塑料等非晶體，內(nèi)部原子的排列則是雜亂無(wú)章的。準(zhǔn)晶體是最近發(fā)現(xiàn)的一類新物質(zhì)，其內(nèi)部排列既不同于晶體，也不同于非晶體。

晶體按其結(jié)構(gòu)粒子和作用力的不同可分為四類：離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體。固體可分為晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體三大類。具有整齊規(guī)則的幾何外形、固定熔點(diǎn)和各向異性的固態(tài)物質(zhì)，是物質(zhì)存在的一種基本形式。固態(tài)物質(zhì)是否為晶體，一般可由X射線衍射法予以鑒定。

晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)(原子、離子、分子)有規(guī)則地在三維空間呈周期性重復(fù)排列，組成一定形式的晶格，外形上表現(xiàn)為一定形狀的幾何多面體。組成某種幾何多面體的平面稱為晶面，由于生長(zhǎng)的條件不同，晶體在外形上可能有些歪斜，但同種晶體晶面間夾角(晶面角)是一定的，稱為晶面角不變?cè)怼?/p>

吃的鹽是氯化鈉的結(jié)晶，味精是谷氨酸鈉的結(jié)晶，冬天窗戶玻璃上的冰花和天上飄下的雪花，是水的結(jié)晶。可以這樣說(shuō)：“熠熠閃光的不一定是晶體，樸實(shí)無(wú)華、不能閃光的未必就不是晶體”。廚房中常見(jiàn)的砂糖、堿是晶體，每個(gè)人身上的牙齒、骨骼是晶體，工業(yè)中的礦物巖石是晶體，日常見(jiàn)到的各種金屬及合金制品也屬晶體，就連地上的泥土砂石都是晶體。我們身邊的固體物質(zhì)中，除了常被我們誤以為是晶體的玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，幾乎都是非晶體。晶體離我們并不遙遠(yuǎn)，它就在日常生活中。

晶體的一些性質(zhì)取決于將分子聯(lián)結(jié)成固體的結(jié)合力。這些力通常涉及原子或分子的最外層的電子（或稱價(jià)電子）的相互作用。如果結(jié)合力強(qiáng)，晶體有較高的熔點(diǎn)。如果它們稍弱一些，晶體將有較低的熔點(diǎn)，也可能較易彎曲和變形。如果它們很弱，晶體只能在很低溫度下形成，此時(shí)分子可利用的能量不多。

當(dāng)原子結(jié)合成晶體時(shí)，因?yàn)樵又g的距離很近，不同原子之間的電子軌道(量子態(tài))將發(fā)生不同程度的交迭。晶體中兩個(gè)相鄰原子的最外層電子的軌道重迭最多。這些軌道的交迭，使電子可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上去。結(jié)果，原來(lái)隸屬于某一原子的電子，不再是此原子私有的了，而是可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，成為整個(gè)晶體所共有，這種現(xiàn)象稱作電子的共有化。晶體中原子內(nèi)層和外層電子的軌道交迭程度很不相同。越外層電子的交迭程度越大，且原子核對(duì)它的束縛越小。因此，只有最外層電子的共有化特征才是顯著的。

晶體中電子雖然可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子，但它只能在能量相同的量子態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。所以，共有化的量子態(tài)與原子的能級(jí)之間存在著直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于電子的這種共有化，整個(gè)晶體成了統(tǒng)一的整體。因此，如圖2-8，N個(gè)原子排列起來(lái)結(jié)合成晶體，原來(lái)分屬于N個(gè)單個(gè)原子的相同能級(jí)必須對(duì)應(yīng)分裂的N個(gè)能量稍有差別的能級(jí)。這些能級(jí)互相靠得很近，分布在一定的能量區(qū)域。

我們將這能量區(qū)域中密集的能級(jí)形象地稱為能帶。由于能帶中能級(jí)之間的能量差很小，所以通常可以把能帶內(nèi)的能級(jí)看成是連續(xù)的。在一般的原子中，內(nèi)層電子的能級(jí)都是被電子填滿的。當(dāng)原子組成晶體后，與這些內(nèi)層的能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶也是被電子所填滿的。在理想的絕對(duì)零度下，硅、鍺、金剛石等共價(jià)鍵結(jié)合的晶體中，從其最內(nèi)層的電子直到最外邊的價(jià)電子都正好填滿相應(yīng)的能帶。能量最高的是價(jià)電子填滿的能帶，稱為價(jià)帶。價(jià)帶以上的能帶基本上是空的，其中最低的帶常稱為導(dǎo)帶。價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的區(qū)域稱為禁帶。圖2-9所示為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的能帶情況。一般，絕緣體的禁帶比較寬，價(jià)帶被電子填滿，而導(dǎo)帶一般是空的。半導(dǎo)體的能帶與絕緣體相似，在理想的絕對(duì)零度下，也有被電子填滿的價(jià)帶和全空的導(dǎo)帶，但其禁帶比較窄。正因?yàn)槿绱耍谝欢ǖ臈l件下，價(jià)帶的電子容易被激發(fā)到導(dǎo)帶中去。半導(dǎo)體的許多重要特性就是由此引起的。而導(dǎo)體的能帶情況有兩種：一是它的價(jià)帶沒(méi)有被電子填滿，即最高能量的電子只能填充價(jià)帶的下半部分，而上半部分空著；二是它的價(jià)帶與導(dǎo)帶相重迭。

上面關(guān)于能帶形成的通俗論證是十分粗糙而不嚴(yán)格的。能帶和原子能級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并不象圖2-8那樣單純，也并不永遠(yuǎn)都是一個(gè)原子能級(jí)對(duì)應(yīng)于一個(gè)能帶。并且，能帶圖并不實(shí)際存在，而只是用來(lái)著重說(shuō)明電子的能量分布情況。關(guān)于這方面的較嚴(yán)格的論證，可參考有關(guān)資料。

3．半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)

當(dāng)在一塊半導(dǎo)體的兩端加上電壓后，則價(jià)電子在無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上迭加了由電場(chǎng)引起的定向運(yùn)動(dòng)，形成了電流，并且它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也發(fā)生了變化，因而其運(yùn)動(dòng)能量必然與原來(lái)熱運(yùn)動(dòng)時(shí)有所不同。在晶體中，根據(jù)泡利不相容原理，每個(gè)能級(jí)上最多能容納兩個(gè)電子。因此，要改變晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以便改變電子的運(yùn)動(dòng)能量，使它躍遷到新的能級(jí)中去，一般需要滿足兩個(gè)條件：一是具有能向電子提供能量的外界作用；二是電子要躍入的那個(gè)能級(jí)是空的。

由于導(dǎo)帶中存在大量的空能級(jí)，當(dāng)有電場(chǎng)作用時(shí)，導(dǎo)帶電子能夠得到能量而躍遷到空的能級(jí)中去，即導(dǎo)帶電子能夠改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這也就是說(shuō)，在電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)帶電子能夠產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。所以導(dǎo)帶電子是可以導(dǎo)電的。

如果價(jià)帶中填滿了電子而沒(méi)有空能級(jí)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子又沒(méi)有足夠能量激發(fā)到導(dǎo)帶，那么，電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也無(wú)法改變，因而不能形成定向運(yùn)動(dòng)，也就沒(méi)有電流。因此，填滿電子的價(jià)帶中的電子是不能導(dǎo)電的。如果價(jià)帶中的一些電子在外界作用下躍遷到導(dǎo)帶，那么在價(jià)帶中就留下了缺乏電子的空位。可以設(shè)想，在外加電場(chǎng)作用下，鄰近能級(jí)的電子可以躍入這些空位，而在這些電子原來(lái)的能級(jí)上又出現(xiàn)了新的空位。以后，其它電子又可以再躍入這些新的空位，這就好象空位在價(jià)帶中移動(dòng)一樣，只不過(guò)其移動(dòng)方向與電子相反罷了。因此，對(duì)于有電子空位的價(jià)帶，其電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就不再是不可改變的了。在外加電場(chǎng)的作用下，有些電子在原來(lái)熱運(yùn)動(dòng)上迭加了定向運(yùn)動(dòng)，從而形成了電流。

導(dǎo)帶和價(jià)帶電子的導(dǎo)電情況是有區(qū)別的，即：導(dǎo)帶的電子愈多，其導(dǎo)電能力愈強(qiáng)；而價(jià)帶的電子的空位愈多，即電子愈少，其導(dǎo)電能力就愈強(qiáng)。為了處理方便，我們把價(jià)帶的電子空位想象為帶正電的粒子。顯然，它所帶的電量與電子相等，符號(hào)相反。在電場(chǎng)作用下，它可以自由地在晶體中運(yùn)動(dòng)，象導(dǎo)帶中的電子一樣能夠起導(dǎo)電作用，這種價(jià)帶中的電子空位，我們通常稱之為空穴。由于電子和空穴都能導(dǎo)電，一般把它們統(tǒng)稱為載流子。

4、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電特性

完全純凈和結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。它的能帶圖如圖2—10所示。其中圖(a)是假設(shè)在絕對(duì)零度時(shí)，又不受光、電、磁等外界作用的本征半導(dǎo)體能帶圖。此時(shí)，導(dǎo)帶沒(méi)有電子，價(jià)帶也沒(méi)有空穴。因此，這時(shí)的本征半導(dǎo)體和絕緣體一樣，不能導(dǎo)電。但是，由于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg較小，因而在熱運(yùn)動(dòng)或其它外界因素的作用下，價(jià)帶的電子可激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，如圖2-10(b)所示。這時(shí)，導(dǎo)帶有了電子，價(jià)帶也有了空穴，本征半導(dǎo)體就有能力導(dǎo)電了。電子由價(jià)帶直接激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶稱為本征激發(fā)。對(duì)于本征半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，其載流子只能依靠本征激發(fā)產(chǎn)生。因此，導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴是相等的。這就是本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的特性。本征激發(fā)（熱激發(fā)）：共價(jià)鍵中的價(jià)電子因受熱作用而成為自由電子的過(guò)程。

本征激發(fā)使半導(dǎo)體內(nèi)不斷產(chǎn)生電子和空穴，同時(shí)它們又不斷地進(jìn)行著復(fù)合。產(chǎn)生和復(fù)合這對(duì)矛盾的對(duì)立統(tǒng)一，使半導(dǎo)體在一定溫度下達(dá)到載流子數(shù)目的動(dòng)態(tài)平衡。從而維持了一定數(shù)量的自由電子和空穴這種狀態(tài)稱為熱平衡。

必須指出，常溫下本征半導(dǎo)體中的電子、空穴是很少的，因而本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很差的，所以它不能直接用來(lái)制造晶體管。

5、雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入一定數(shù)量的雜質(zhì)就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著的變化，使它具有制造晶體管時(shí)所需要的特性，并且因摻入雜質(zhì)元素的不同，可形成電子型半導(dǎo)體(N型半導(dǎo)體)和空穴型半導(dǎo)體(P型半導(dǎo)體)兩大類（均成電中性）。

①P型半導(dǎo)體

如果在純凈的硅(或鍺)中摻入少量的三價(jià)元素硼(或鋁等)，就能得P型半導(dǎo)體，當(dāng)硼(B)原子占據(jù)硅原子的位置并和四個(gè)相鄰的硅原子共價(jià)結(jié)合時(shí)，由于硼只有三個(gè)價(jià)電子，要從附近硅原子中拿一個(gè)價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，這祥就在這個(gè)硅原子中產(chǎn)生了一個(gè)空穴，摻入的每一個(gè)硼原子都產(chǎn)生一個(gè)空穴，所以摻雜的半導(dǎo)體中空穴的數(shù)目就大大增加．

由于這些雜質(zhì)原子必須接受一個(gè)電子才能與相鄰的四個(gè)原子組成共價(jià)鍵，所以三價(jià)元素的硼叫做受主雜質(zhì)，接受一個(gè)電子的雜質(zhì)原子叫做受主離子。這種半導(dǎo)體主要是靠空穴導(dǎo)電的，所以也叫空穴型半導(dǎo)體。

②N型半導(dǎo)體

在純凈的硅(或鍺)中摻入少量的五價(jià)元素雜質(zhì)后，如磷(P)、砷(As)等，就能得到N型半導(dǎo)體。如在硅中摻入少量的磷(P)，則磷原子跑到硅里面去，它要占據(jù)原來(lái)硅原子的位置。磷原子拿出五個(gè)價(jià)電子中的四個(gè)與相鄰硅原子組成共價(jià)鍵還多余一個(gè)價(jià)電子沒(méi)有參加共價(jià)鍵，該價(jià)電子只受到磷原子核的吸引，在常溫下很容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子。

如圖所示。可見(jiàn)，摻入多少個(gè)磷原子就能產(chǎn)生多少個(gè)自由電子，雜質(zhì)濃度越大，半導(dǎo)體中自由電子數(shù)就越多。(三)PN結(jié)與載流子的運(yùn)動(dòng)

1、PN結(jié)

PN結(jié)就是P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界的地方，這個(gè)交界處雖然很薄，但有許多特殊的電性能，它是晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、晶閘管等半導(dǎo)體器件的核心部分。因此，它是整個(gè)半導(dǎo)體器件最重要的概念之一。

在一塊半導(dǎo)體晶體的不同部位摻入不同的雜質(zhì)，使得這塊晶體的一部分呈P型半導(dǎo)體，另一部分呈N型半導(dǎo)體，則在P型和N型的交界處就形成了PN結(jié)。

2、載流子的運(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散和漂移）

當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在它們交界的地方就要發(fā)生電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。因P區(qū)有大量的空穴(電子很少)，N區(qū)有大量的電子(空穴很少)這樣，在P型和N型半導(dǎo)體的交界處就出現(xiàn)了濃度差，電子和空穴都要向濃度小的地方運(yùn)動(dòng)。形成空間電荷區(qū)，即如下圖所示的內(nèi)建電場(chǎng)： 內(nèi)建電場(chǎng)阻礙空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散，對(duì)空穴來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)力要把空穴推到P區(qū)，對(duì)電子來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)力要把電子拉到N區(qū)，電場(chǎng)力對(duì)載流子的這種作用叫做漂移作用．

由此可見(jiàn)，漂移作用和擴(kuò)散作用二者是一對(duì)矛盾，有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，引起漂移運(yùn)動(dòng)，而漂移運(yùn)動(dòng)又削弱了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)二者的作用相等時(shí)，就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)空間電荷區(qū)的寬度和空間電荷數(shù)目就不再增加，內(nèi)建電場(chǎng)也不再增強(qiáng)，PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，形成PN結(jié)。

由于空間電荷區(qū)存在著電場(chǎng)，所以在空間電荷區(qū)的兩邊就有電位差，這個(gè)電位差叫做接觸電位差，通常也稱為內(nèi)建電勢(shì)。一般硅PN結(jié)的接觸電位差為0.5-0.8V，鍺PN結(jié)的接觸電位差為0.1-0.3V．

3、PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?/p>

如果在PN結(jié)上加一電壓，當(dāng)P區(qū)接正而N區(qū)接負(fù)時(shí)就有一定的電流通過(guò)，并且隨外加電壓的升高電流迅速增大；當(dāng)P區(qū)接負(fù)而N區(qū)接正時(shí)，電流就很微小并且電流數(shù)值與外加電壓關(guān)系不大。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦浴?/p>

P區(qū)接正N區(qū)接負(fù)，叫正向運(yùn)用，這時(shí)的外加電壓稱為正向電壓或正向偏置電壓；P區(qū)接負(fù)N區(qū)接正，叫反向運(yùn)用，這時(shí)的外加電壓稱反向電壓或反向偏置電壓。

①PN結(jié)加正向電壓

由于阻擋層的電阻遠(yuǎn)大于P區(qū)和N區(qū)的體電阻，所以整個(gè)外加電壓基本上全部加在阻擋層上．此時(shí)，外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，從而使PN結(jié)中總的電場(chǎng)減弱，這樣PN結(jié)的平衡狀態(tài)被破壞，P區(qū)中的空穴就不斷地穿過(guò)空間電荷區(qū)向N區(qū)移動(dòng)，而N區(qū)的電子也不斷地穿過(guò)空間電荷區(qū)向P區(qū)移動(dòng)。

雖然電子和空穴的運(yùn)動(dòng)方向相反，但它們所形成的電流卻是相加的，即正向電流等于電子電流與空穴電流之和，從而形成比較大的正向電流，如圖所示。

當(dāng)P區(qū)空穴向N區(qū)移動(dòng)，N區(qū)電子向P區(qū)移動(dòng)時(shí)，它們首先就要和PN結(jié)中原來(lái)的一部分正負(fù)離子中和，結(jié)果使PN結(jié)變窄，其接觸電位差比原來(lái)平衡時(shí)的數(shù)值減少了。當(dāng)正向電壓升高時(shí)，PN結(jié)中的電場(chǎng)就減弱得更多，P區(qū)移向N區(qū)的空穴就愈多，N區(qū)移向P區(qū)的電子也增多，因此正向電流隨正向電壓的增加而迅速上升。PN結(jié)表現(xiàn)為一個(gè)很小的電阻。

②PN結(jié)加反向電壓

N區(qū)接電源的正極，P區(qū)接電源的負(fù)極，這是PN結(jié)反向運(yùn)用的情況。此時(shí)，外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)的方向一致，PN結(jié)中總的電場(chǎng)加強(qiáng)了。在外加電場(chǎng)的作用下，阻擋層左邊P區(qū)的空穴和阻擋層右邊N區(qū)的電子都將進(jìn)一步離開(kāi)PN結(jié)，于是阻擋層(空間電荷區(qū))加寬了，阻擋層兩端的電位差也增加了．因此，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子穿過(guò)阻擋層的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受阻，由多數(shù)載流子形成的電流等于零。

實(shí)際上，PN結(jié)在反向工作時(shí)還有一定的微小電流，這是由P區(qū)少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)少數(shù)載流子(空穴)在電場(chǎng)力的作用下形成的．稱為PN結(jié)的反向電流，它的大小與外加電壓基本無(wú)關(guān)，但它隨溫度而變化．由于反向電流一般很小(因P區(qū)的電子和N區(qū)的空穴很少)，PN結(jié)表現(xiàn)為一個(gè)很大的電阻，所以仍認(rèn)為PN結(jié)外加反向電壓時(shí)基本上不導(dǎo)電．

綜上所述，PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很小，電流暢通；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很大，反向電流很小，接近于零，PN結(jié)不導(dǎo)通。所以，PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦裕?/p>

必須指出，由于熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的少數(shù)載流于所形成的反向電流，當(dāng)溫度升高時(shí)，因熱激發(fā)增強(qiáng)而會(huì)使反向電流急劇增加，這是造成PN結(jié)工作不穩(wěn)定的原因，在實(shí)際應(yīng)用中必須注意這個(gè)問(wèn)題．

當(dāng)加到PN結(jié)上的反向電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，反向電流就有明顯的增加，甚至突然猛增，這種現(xiàn)象叫PN結(jié)的擊穿。PN結(jié)擊穿后，其單向?qū)щ娞匦栽獾搅似茐模瑫r(shí)可能因反向電流過(guò)大而使PN結(jié)燒壞。

擊穿并不一定是壞事。在電子線路中常用的硅穩(wěn)壓管就利用了擊穿現(xiàn)象。因?yàn)樗鼡舸┮院螅ㄟ^(guò)PN結(jié)的電流可以有相當(dāng)大的變化而其兩端電壓卻變化很小，所以起到了穩(wěn)壓作用。另外，PN結(jié)擊穿了并不等于就壞了，只要在線路中接一個(gè)保護(hù)電阻，使反向電流不超過(guò)PN結(jié)所容許的最大電流，則反向電壓減小后PN結(jié)是可以恢復(fù)的。

(四)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)

由于半導(dǎo)體外延技術(shù)的發(fā)展，從60年代開(kāi)始，可以將禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料，生長(zhǎng)在同一塊晶體上，且可以按人們的意志做成突變的或緩變的結(jié)，這種由兩種不同質(zhì)的半導(dǎo)體材料接觸而組成的結(jié)稱為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)

按照兩種材料的導(dǎo)電類型不同，異質(zhì)結(jié)可分為同型異質(zhì)結(jié)（P-p結(jié)或N-n結(jié)）和異型異質(zhì)(P-n或p-N)結(jié)，多層異質(zhì)結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通常形成異質(zhì)結(jié)的條件是：兩種半導(dǎo)體有相似的晶體結(jié)構(gòu)、相近的原子間距和熱膨脹系數(shù)。利用界面合金、外延生長(zhǎng)、真空淀積等技術(shù)，都可以制造異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)常具有兩種半導(dǎo)體各自的PN結(jié)都不能達(dá)到的優(yōu)良的光電特性，使它適宜于制作超高速開(kāi)關(guān)器件、太陽(yáng)能電池以及半導(dǎo)體激光器等。

所謂半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，就是將不同材料的半導(dǎo)體薄膜，依先后次序沉積在同一基座上。例如圖2所描述的就是利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)所作成的雷射之基本架構(gòu)。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本特性有以下幾個(gè)方面。

(1)量子效應(yīng)：因中間層的能階較低，電子很容易掉落下來(lái)被局限在中間層，而中間層可以只有幾十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空間內(nèi)，電子的特性會(huì)受到量子效應(yīng)的影響而改變。例如：能階量子化、基態(tài)能量增加、能態(tài)密度改變等，其中能態(tài)密度與能階位置，是決定電子特性很重要的因素。

(2)遷移率(Mobility)變大：半導(dǎo)體的自由電子主要是由于外加雜質(zhì)的貢獻(xiàn)，因此在一般的半導(dǎo)體材料中，自由電子會(huì)受到雜質(zhì)的碰撞而減低其行動(dòng)能力。然而在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，可將雜質(zhì)加在兩邊的夾層中，該雜質(zhì)所貢獻(xiàn)的電子會(huì)掉到中間層，因其有較低的能量（如圖3所示）。因此在空間上，電子與雜質(zhì)是分開(kāi)的，所以電子的行動(dòng)就不會(huì)因雜質(zhì)的碰撞而受到限制，因此其遷移率就可以大大增加，這是高速組件的基本要素。

(3)奇異的二度空間特性：因?yàn)殡娮颖痪窒拊谥虚g層內(nèi)，其沿夾層的方向是不能自由運(yùn)動(dòng)的，因此該電子只剩下二個(gè)自由度的空間，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)因而提供了一個(gè)非常好的物理系統(tǒng)可用于研究低維度的物理特性。低維度的電子特性相當(dāng)不同于三維者，如電子束縛能的增加、電子與電洞復(fù)合率變大，量子霍爾效應(yīng)，分?jǐn)?shù)霍爾效應(yīng)[1]等。科學(xué)家利用低維度的特性，已經(jīng)已作出各式各樣的組件，其中就包含有光纖通訊中的高速光電組件，而量子與分?jǐn)?shù)霍爾效應(yīng)分別獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。

異質(zhì)結(jié)

(4)人造材料工程學(xué)：半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)之中間層或是兩旁的夾層，可因需要不同而改變。例如以砷化鎵來(lái)說(shuō)，鎵可以被鋁或銦取代，而砷可以用磷、銻、或氮取代，所設(shè)計(jì)出來(lái)的材料特性因而變化多端，因此有人造材料工程學(xué)的名詞出現(xiàn)。最近科學(xué)家將錳原子取代鎵，而發(fā)現(xiàn)具有鐵磁性的現(xiàn)象，引起很大的重視，因?yàn)槿蘸蟮陌雽?dǎo)體組件，有可能因此而利用電子自旋的特性。此外，在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，如果鄰近兩層的原子間距不相同，原子的排列會(huì)被迫與下層相同，那么原子間就會(huì)有應(yīng)力存在，該應(yīng)力會(huì)改變電子的能帶結(jié)構(gòu)與行為。現(xiàn)在該應(yīng)力的大小已可由長(zhǎng)晶技術(shù)控制，因此科學(xué)家又多了一個(gè)可調(diào)變半導(dǎo)體材料的因素，產(chǎn)生更多新穎的組件，例如硅鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)高速晶體管。

五、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過(guò)物體。那些被物體所吸收的光，將改變物體的一些性能。

1、本征吸收

半導(dǎo)體材料吸收光的原因，在于光與處在各種狀態(tài)的電子、晶格原子和雜質(zhì)原子的相互作用。其中最主要的光吸收是由于光子的作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶而引起的，這種吸收就稱為本征吸收。

2、雜質(zhì)吸收

處于雜質(zhì)能級(jí)中的電子與空穴，也可以引起光的吸收。N型半導(dǎo)體未電離的雜質(zhì)原子，吸收光子能量hν 大于電離能ΔED，則雜質(zhì)原子的外層電子將從價(jià)帶躍入導(dǎo)帶，成為自由電子；P型半導(dǎo)體吸收光子能量hν大于ΔEA，則價(jià)電子產(chǎn)生電離，成為空穴，即稱雜質(zhì)吸收。

不同的電離能有不同的長(zhǎng)波限，摻雜的雜質(zhì)不同，吸收就可以在很寬的波段內(nèi)產(chǎn)生。

3、激子吸收

在某些情況下，電子在價(jià)帶中空穴庫(kù)侖場(chǎng)的束縛下運(yùn)動(dòng)．形成可動(dòng)的電子—空穴對(duì)，稱為激子。

激子的能量小于自由電子的能量，因此能級(jí)處在禁帶中。激于子作為一個(gè)整體可以在晶格內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，然而它是電中性的，不能產(chǎn)生電流。

4、自由載流子吸收

在半導(dǎo)體材料的紅外吸收光譜中發(fā)現(xiàn)，在本征吸收限長(zhǎng)波測(cè)還存在著強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而增加的吸收。這種吸收是由于自由載流子在同一能帶內(nèi)不同能級(jí)之間的躍遷而引起的，因此稱為自由載流子吸收。

當(dāng)半導(dǎo)體處于足夠低的溫度中時(shí)，電子與晶格的聯(lián)系顯得非常微弱．此時(shí)吸收的輻射，使載流子在帶內(nèi)的能量分布發(fā)生顯著變化。這種現(xiàn)象雖不引起載流子濃度的變化，但由于電子的遷移率依賴于能量，所以上述過(guò)程導(dǎo)致遷移率改變．從而使這種吸收引起電導(dǎo)率的改變。

5、晶格吸收

在這種吸收過(guò)程中，光子直接轉(zhuǎn)變成晶格原子的振動(dòng)。宏觀上表現(xiàn)為溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。

以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能產(chǎn)生光電效應(yīng)。

* 重點(diǎn)：

半導(dǎo)體特性、載流子的運(yùn)動(dòng)、PN結(jié)以及三種光電效應(yīng)。* 難點(diǎn)：

能帶理論、PN結(jié)的三種接觸方式。

* 引導(dǎo)學(xué)生解決重點(diǎn)難點(diǎn)的方法、例題： 通過(guò)結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

? 本授課單元教學(xué)手段與方法：

本堂課是理論課，采用PPT課件講授以及結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活。? 本授課單元思考題、討論題、作業(yè)：

1、詳細(xì)討論光電發(fā)射過(guò)程；

2、PN結(jié)的不斷發(fā)展主要解決哪些問(wèn)題？

? 本授課單元參考資料（含參考書、文獻(xiàn)等，必要時(shí)可列出）

[1] 吳杰編著，《光電信號(hào)檢測(cè)》，哈爾濱工業(yè)出版社，1990 [2] 高稚允等編著，《光電檢測(cè)技術(shù)》，國(guó)防工業(yè)出版社，1995

第二篇：半導(dǎo)體二極管 電子教案

第一章 半導(dǎo)體二極管

內(nèi)容簡(jiǎn)介

本章首先介紹半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能和特點(diǎn)，進(jìn)而從原子結(jié)構(gòu)給與解釋。先討論P(yáng)N結(jié)的形成和PN結(jié)的特性，然后介紹半導(dǎo)體二極管特性曲線和主要參數(shù)。分析這些管子組成的幾種簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路，最后列出常用二極管參數(shù)及技能訓(xùn)練項(xiàng)目。知識(shí)教學(xué)目標(biāo)

1.了解半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)，掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕? 2.熟悉二極管的基本結(jié)構(gòu)、伏安特性和主要參數(shù)； 3.掌握二極管電路的分析方法； 4.了解特殊二極管及其應(yīng)用。技能教學(xué)目標(biāo)

能夠識(shí)別和檢測(cè)二極管，會(huì)測(cè)定二極管簡(jiǎn)單應(yīng)用電路參數(shù)。本章重點(diǎn)

1.要求掌握器件外特性，以便能正確使用和合理選擇這些器件。如：半導(dǎo)體二極管：伏安特性，主要參數(shù)，單向?qū)щ娦浴?/p>

2.二極管電路的分析與應(yīng)用。本章難點(diǎn)

1.半導(dǎo)體二極管的伏安特性，主要參數(shù)，單向?qū)щ娦浴?/p>

2.二極管電路分析方法。課時(shí) 4課時(shí)

題目：半導(dǎo)體、PN結(jié)

教學(xué)目標(biāo)：了解本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體的區(qū)別，從而得出半導(dǎo)體特性。記住半導(dǎo)體PN結(jié)的特性。教學(xué)重點(diǎn)：

1、半導(dǎo)體特性；

2、半導(dǎo)體PN結(jié)的特性；

教學(xué)難點(diǎn)：

1、半導(dǎo)體單向?qū)щ娦浴?/p>

2、半導(dǎo)體PN結(jié)分別加正反向電壓導(dǎo)通與截止的特性。教學(xué)方法：講授 教具：色粉筆

新課導(dǎo)入：電子技術(shù)基礎(chǔ)是我們這學(xué)期新開(kāi)的一門專業(yè)課，它包含各個(gè)基本小型電路的介紹及使用分析，這次課我們來(lái)學(xué)習(xí)一種材質(zhì)：半導(dǎo)體。為以后的電路分析打下基礎(chǔ)。

新授：

從導(dǎo)電性能上看，通常可將物質(zhì)為三大類：導(dǎo)體： 電阻率，緣體：電阻率，半導(dǎo)體：電阻率ρ介于前兩者之間。目前制造半導(dǎo)體器件材料用得最多的有：

單一元素的半導(dǎo)體——硅(Si)和鍺(Ge);化合物半導(dǎo)體 —— 砷化鎵(GaAs)。

圖1.1.1 半導(dǎo)體示例

1.1.1 本征半導(dǎo)體

了解：

純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。用于制造半導(dǎo)體器件的純硅和鍺都是四價(jià)元素，其最外層原子軌道上有四個(gè)電子（稱為價(jià)電子）。在單晶結(jié)構(gòu)中，由于原子排列的有序性，價(jià)電子為相鄰的原子所共有，形成圖1.1.2所示的共價(jià)健結(jié)構(gòu)，圖中+4代表四價(jià)元素原子核和內(nèi)層電子所具有的凈電荷。共價(jià)鍵中的一些價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得一些能量，從而擺脫共價(jià)鍵的約束成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵上留下空位，我們稱這些空位為空穴，它帶正電。在外電場(chǎng)作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電子電流；同時(shí)價(jià)電子也按一定的方向一次填補(bǔ)空穴，從而使空穴產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成空穴電流。

因此，半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流參與導(dǎo)電，分別形成電子電流和空穴電流，這一點(diǎn)與金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同。

1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。

一、N型半導(dǎo)體

若在四價(jià)的硅或鍺的晶體中摻入少量的五價(jià)元素(如磷、銻、砷等)，則晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原 子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電 子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣，在該半導(dǎo)體中就存在大量的自由電子載流子，空穴是少數(shù)載流子，這種半導(dǎo)體就是N型半導(dǎo)體

圖1.1.3 N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

二、P型半導(dǎo)體

若在四價(jià)的硅或鍺的晶體中少量的三價(jià)元素，如硼，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子,因而在該半導(dǎo)體中就存在大量的空穴載流子,當(dāng)然,其中還有少數(shù)由于本征激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子，如圖1.1.4所示。

需要指出的是,無(wú)論是N型還是P型半導(dǎo)體,都是呈電中性的。

*綜上所述，半導(dǎo)體特性：

*

1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。

2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由 電子和空穴對(duì)，故其有一定的導(dǎo)電能力。*

3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。

4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。*

5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強(qiáng)、雜質(zhì)濃度和材料性質(zhì)有關(guān)。

1.1.3 PN結(jié)

一、PN 結(jié)的形成

在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。PN結(jié)是多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)相較量,最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的必然結(jié)果，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。

二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1、PN結(jié)的偏置

PN結(jié)加上正向電壓（正向偏置）的意思都是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。PN結(jié)加上反向電壓（反向偏置）的意思都是： P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。

2、PN結(jié)正偏

如上圖1.1.6所示,當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，外加電源形成的電場(chǎng)加強(qiáng)了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，削弱了內(nèi)電場(chǎng)，耗盡層變薄，因而多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成了較大的擴(kuò)散電流。用流程圖表述如下：PN結(jié)正偏外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)

耗盡層變薄 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成正向電流。

3、PN結(jié)的反偏

在PN結(jié)加反向偏置時(shí),如圖1.1.7所示，外加電源形成的外電場(chǎng)加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受到阻礙，耗盡層變厚；少子的漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，形成較小的漂移電流。其過(guò)程表述如下： PN結(jié)反偏 外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng) 耗盡層變厚擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng) 少子漂移運(yùn)動(dòng)形成反向電流。

綜上所述：

1）PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

課后總結(jié)：這次課我們認(rèn)識(shí)了半導(dǎo)體材料。對(duì)于半導(dǎo)體的特性，PN結(jié)的特性進(jìn)行對(duì)比記憶，由大家課下熟悉完成記憶。作業(yè)：練習(xí)冊(cè)1.1 板書設(shè)計(jì)：

一、半導(dǎo)體

1、本征半導(dǎo)體

2、雜質(zhì)半導(dǎo)體：

二、PN結(jié)題目：1.2 二極管的特性及主要參數(shù)

教學(xué)目標(biāo)：了解二極管的特性，分析使用二極管時(shí)的主要參數(shù)-伏安特性。教學(xué)重點(diǎn)：二極管結(jié)構(gòu)分析，伏安特性的分析； 教學(xué)難點(diǎn)：

1、伏安特性分析。

2、幾個(gè)參數(shù)的記憶及區(qū)分。教學(xué)方法：講授 教具：色粉筆

新課導(dǎo)入：上次課我們認(rèn)識(shí)了半導(dǎo)體器件中常用的器件“二極管”，在使用過(guò)程中不僅要了解它的參數(shù)也是不行的，這次我們繼續(xù)學(xué)習(xí)它的特性及參數(shù)要求。

新授：

1.2.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

形成PN結(jié)的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體上，分別引出兩根金屬引線，并用管殼封裝，就制成二極管。其中從P區(qū)引出的線為正極，從N區(qū)引出的線為負(fù)極。二極管的結(jié)構(gòu)外形及在電路中的文字符號(hào)如圖1.2.1所示。在圖1.2.1(b)所示電路符號(hào)中，箭頭指向?yàn)檎驅(qū)娏鞣较颍O管常見(jiàn)的封裝形式如圖1.2.2所示。

1.2.2 二極管的伏—安特性

半導(dǎo)體二極管的核心是PN結(jié)，它的特性就是PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦浴３＠梅话蔡匦郧€來(lái)形象地描述二極管的單向?qū)щ娦浴Ｋ^伏安特性，是指二極管兩端電壓和流過(guò)二極管電流的關(guān)系，可用電路圖來(lái)測(cè)量。若以電壓為橫坐標(biāo)，電流為縱坐標(biāo)，用作圖法把電壓、電流的對(duì)應(yīng)值用平滑曲線連接起來(lái)，就構(gòu) 成二極管的伏—安特性曲線，如圖1.2.3所示(圖中虛線為鍺管的伏—安特性，實(shí)線為硅管的伏—安特性)，下面以二極管的伏—安特性曲線加以說(shuō)明。

一、正向特性

當(dāng)二極管兩端加正向電壓時(shí)，就產(chǎn)生正向電流，正向電壓較小時(shí)，正向電流極小(幾乎為零)，這一部分稱為死區(qū)，相應(yīng)的A(A′)點(diǎn)的電壓命名為死區(qū)電壓。

二極管正向?qū)〞r(shí)，要特別注意它的正向電流不能超過(guò)最大值，否則將燒壞PN結(jié)。

二、反向特性

當(dāng)二極管兩端加上反向電壓時(shí)，在開(kāi)始很大范圍內(nèi)，二極管相當(dāng)于非常大的電阻，反向電流很小，且不隨反向電壓而變化。此時(shí)的電流稱之為反向飽和電流，如圖1.2.3中0C(或O′C′)段所示。

三、反向擊穿特性

二極管反向電壓加到定數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。此時(shí)的電壓稱為反向擊穿電壓用表示，如圖1.2.3中CD(或C′D′)段所示。

四、死區(qū)電壓：鍺——0.2V 硅——0.5V

五、導(dǎo)通電壓降：鍺——0.3V 硅——0.7V 1.2.3 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)和分類

基本參數(shù)：

1．最大整流電流 最大整流電流是指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)，允許通過(guò)的最大平均電流使用正向平均電流能超過(guò)此值，否則二極管會(huì)擊穿。

2．最大反向工作電壓

最大反向工作電壓是指二極管正常工作時(shí)，所承受的最高反向電壓(峰值)。通常手冊(cè)上給出的最大反向工作電壓是擊穿電壓的一半左右。

3．二極管的直流電阻

二極管的直流電阻指加在二極管兩端的直流電壓與流過(guò)二極管的直流電流的比值。二極管的正向電阻較小，約為幾歐到幾千歐；反向電阻很大，一般可達(dá)零點(diǎn)幾兆歐以上。

4．最高工作頻率

最高工作頻率是指二極管正常工作時(shí)上、下限頻率，它的大小與PN結(jié)的結(jié)電容有超過(guò)此值，二極管單向?qū)щ娞匦宰儾睢?/p>

課后總結(jié)：

這次課的重點(diǎn)：

1、二極管結(jié)構(gòu)及其單向?qū)щ娦?/p>

2、死區(qū)電壓：鍺——0.2V 硅——0.5V

3、導(dǎo)通電壓降：鍺——0.3V 硅——0.7V

4、二極管反向電壓加到定數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿

作業(yè)：練習(xí)冊(cè)1.2填空1-5題

板書設(shè)計(jì)：

一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 二、二極管的伏—安特性

三、半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)和分類 題目：1.4特殊二極管、二極管的檢測(cè)及應(yīng)用

教學(xué)目標(biāo)：

1、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二級(jí)管及光電二極管的特點(diǎn)

2、學(xué)習(xí)二極管極性檢測(cè)

3、學(xué)習(xí)二極管好壞的檢測(cè) 教學(xué)重點(diǎn)：

1、學(xué)習(xí)二極管極性檢測(cè)

2、學(xué)習(xí)二極管好壞的檢測(cè) 教學(xué)難點(diǎn)：

1、二極管的檢測(cè)

2、二極管的應(yīng)用 教學(xué)方法：講授 教具：色粉筆

新課導(dǎo)入：二極管大家已經(jīng)知道是什么電子器件，那么如果拿來(lái)一個(gè)二極管，如何知道它的正負(fù)極？二極管的好壞該怎樣檢測(cè)？這一系列使用前應(yīng)該做的準(zhǔn)備都是必須有的，現(xiàn)在我們就來(lái)學(xué)習(xí)他的檢測(cè)方法！

新授：

1.4.1 穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓電路利用穩(wěn)壓二極管在反向擊穿特性來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。下面簡(jiǎn)要介紹穩(wěn)壓二極管基本知識(shí)。

一、穩(wěn)壓二極管的工作特性

穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管，它的伏一安特性曲線和在電路中的符號(hào)如圖1.4.1所示。穩(wěn)壓管和普通二極管正向特性相同，不同的是反向擊穿電壓較低，且擊穿特性陡峭，這說(shuō)明反向電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，擊穿電壓基本不變，穩(wěn)壓管正是利用反向擊穿特性來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的，此時(shí)擊穿電壓稱為穩(wěn)定工作電壓，用 UZ表示。

二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 1.穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)定電壓UZ 即反向擊穿電壓。由于擊穿電壓與制造工藝、環(huán)境溫度和工作電流有關(guān)，手冊(cè)中只能給出某一型號(hào)的穩(wěn)壓范圍。2.穩(wěn)定電流IZ

穩(wěn)定電流IZ 是指穩(wěn)壓管工作至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)流過(guò)的電流。當(dāng)穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流小于最小穩(wěn)定電流 時(shí)，沒(méi)有穩(wěn)定作用；大于最大穩(wěn)定電流 時(shí)，管子因過(guò)流而損壞。穩(wěn)壓管由于受熱而擊穿。

1.4.2 發(fā)光二極管與光電二極管

一、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種把電能變成光能的器件，由磷化鎵、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成，電路符號(hào)見(jiàn)圖1.4.3,當(dāng)給發(fā)光二極管加上偏壓，有一定的電流流過(guò)時(shí)二極管就會(huì)發(fā)光，這是由于PN結(jié)的電子和空穴直接復(fù)合放出能量的結(jié)果。

① 顏色：發(fā)光二極管的種類按發(fā)光的顏色可分為：紅色、藍(lán)色、黃色、綠色和無(wú)色 ② 正負(fù)極：管腳引線較長(zhǎng)者為正極，較短者為負(fù)極。③ 不同顏色發(fā)光二級(jí)管工作電壓：

發(fā)光二極管工作時(shí)導(dǎo)通電壓比普通二極管大，其工作電壓隨材料不同而不同，一般為1.7v～2.4v。

普通綠、紅、黃二極管工作電壓約為2v，白色發(fā)光二極管電壓通常高于2.4v； 藍(lán)色發(fā)光二極管工作電壓一般高于3.3v。

發(fā)光二極管的工作電流一般為2mA～25mA。發(fā)光二極管廣泛應(yīng)用于各種電子儀器儀表、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)的電源指示和信號(hào)指示，還可以做成七段譯碼顯示器等。

二、光電二極管

光電二極管又叫光敏二極管，外形如圖1.4.5。光電二極管也是由一個(gè)PN 結(jié)構(gòu)成，但是它的PN面積較大，通過(guò)管殼上的一個(gè)玻璃來(lái)接收入射光。它是利用PN在施加反向電壓時(shí)，在光線照射下反向電阻由大變小來(lái)工作的，其工作電路如1.4.4。光電二極管可用于光測(cè)量、光電控制等方面，如遙控接收器、光纖通訊、激光頭中都用到光電二極管。

1.5 二極管的檢測(cè)與應(yīng)用

1、二極管的識(shí)別

二極管正負(fù)極、規(guī)格、功能和制造材料一般可以通過(guò)管殼上的標(biāo)志和查閱手冊(cè)(本章內(nèi)容后附有實(shí)用資料)來(lái)判斷，如IN4001通過(guò)殼上的標(biāo)志可判斷正負(fù)極，查閱手冊(cè)可知它是整流管，參數(shù)是1A/50V;2CW15查閱手冊(cè)可知它是N型硅材料穩(wěn)壓管。如果管殼上無(wú)符號(hào)或標(biāo)志不清，就需要用萬(wàn)用表來(lái)檢測(cè)。

2、二極管的檢測(cè)

二極管的檢測(cè)主要是判斷其正負(fù)極和質(zhì)量好壞。

基本方法：

(1)選檔位

將萬(wàn)用表量程調(diào)至 R×100Ω 或 R×1KΩ檔（一般不用 R×1Ω檔，因其電流較大，而 R×10K檔電壓過(guò)高管子易擊穿）(2)測(cè)電阻

將兩表筆分別接觸二極管兩個(gè)電極，測(cè)得一個(gè)電阻值，交換一次電極再測(cè)一次，從而得到兩個(gè)電阻值。

正向電阻＜5KΩ 反向電阻＞500KΩ，如圖1.5.1所示。（3）問(wèn)題分析

性能好的二極管，一般反向電阻比正向電阻大幾百倍。① ② ③ ④ 如兩次測(cè)得的正、反向電阻很小或等于零，則說(shuō)明管子內(nèi)部已擊穿或短路； 如果正、反向電阻均很大或接近無(wú)窮大，說(shuō)明管子內(nèi)部已開(kāi)路； 如果電阻值相差不大，說(shuō)明管子性能變差； 在上述三種情況的二極管均不能使用。

作業(yè)：練習(xí)冊(cè)1.2填空1-5題 課后總結(jié)：

這次課的重點(diǎn)：

1、各種特別二極管的特點(diǎn)簡(jiǎn)介

2、二極管的極性及性能好壞的檢測(cè)

板書設(shè)計(jì)：

1、各種特別二極管的特點(diǎn)簡(jiǎn)介

2、二極管的極性及性能好壞的檢測(cè)

第三篇：高一物理半導(dǎo)體教案

第十二節(jié) 電阻的測(cè)量（2）

教學(xué)目的：（1）掌握伏安法測(cè)電阻的原理，方法。

（2）了解歐姆表的基本構(gòu)造，簡(jiǎn)單原理和測(cè)量電阻的方法。教 具：萬(wàn)用表一個(gè)，電阻若干

課時(shí)安排：伏安法1課時(shí)；歐姆表法1課時(shí).教學(xué)過(guò)程：

引入新課：電阻值是導(dǎo)體的一個(gè)重要特性，測(cè)量導(dǎo)體的電阻值有很多用途，我們發(fā)展了許多測(cè)量電阻值的方法。現(xiàn)在只介紹其中的兩種方法：伏安法和歐姆表法。

新課教學(xué): 1.伏安法:(1)一般地說(shuō),一個(gè)物理量的定義就告訴了我們測(cè)量它的方法.伏安法測(cè)電阻是根據(jù)電阻的定義來(lái)的.設(shè) 問(wèn): 電阻是如何定義的?(要求學(xué)生回答R=U/I)說(shuō) 明: 根據(jù)定義可知只要測(cè)出電阻兩端的電壓UR和通過(guò)電阻的電流IR就可以算出電阻值Rx=UR/IR..這種測(cè)量電阻的方法叫做伏安法.(注意:用符號(hào)UR,IR是為了準(zhǔn)確表達(dá)電阻上的電壓和電阻中通過(guò)的電流)(2)具體測(cè)量時(shí)應(yīng)在待測(cè)電阻Rx上加一電壓,再用伏特表,安培表測(cè)電壓,電流.(引導(dǎo)學(xué)生畫出圖甲和圖乙所示的兩種測(cè)量電路)指 出:（甲）圖叫安培表外接法，（乙）圖叫安培表內(nèi)接法。

說(shuō) 明： 我們認(rèn)為待測(cè)電阻值就等于電壓表讀數(shù)

與安培表讀數(shù)之比.設(shè) 問(wèn):（甲）（乙）兩圖測(cè)量的電阻值相同嗎? 引導(dǎo)學(xué)生討論,總結(jié)討論結(jié)果時(shí)明確下述問(wèn)題.按照定義Rx=UR/IR 但實(shí)際上電壓表,電流表都有一定的電阻.對(duì)(甲)圖,伏特表指示的電壓UV等于電阻兩端的電壓UR,即UV=UR.安培表指示的電流IA等于通過(guò)電阻和伏特表電流之和,即IA=IR+IV.故(甲)圖測(cè)得的電阻值Rx甲=UV/IA=UR/(IR+IV)＜待測(cè)電阻的真實(shí)值Rx=UR/IR

即RX甲＜Rx.對(duì)（乙）圖,伏特表指示的電壓UV等于電阻和安培表的電壓之和,即UV=UR+UA.安培表指示的電流等于通過(guò)電阻的電流,即IR=IA.故（乙）圖測(cè)得的電阻值Rx乙=UV/IA=(UR+UA)/IR＞電阻的真實(shí)值Rx

即Rx乙＞Rx.設(shè)問(wèn)(甲)（乙）兩圖的測(cè)量都有誤差,為了減小誤差我們應(yīng)該選(甲)圖還是選（乙）圖的電路來(lái)測(cè)量呢? 要求學(xué)生根據(jù)上述思想得到結(jié)論: RX＜＜RV時(shí)：用(甲)圖電路測(cè)量誤差小,且總是偏小.RX＞＞RA時(shí)：用（乙）圖電路測(cè)量誤差小,且總是偏大.(3)例題分析: 設(shè)已知伏特表電阻RV=5000歐,安培表電阻RA=0.2000歐

①待測(cè)電阻RX約為幾歐,應(yīng)采用哪個(gè)電路圖來(lái)測(cè)理電阻?(甲)如電壓表示數(shù)為2.50伏,電流表示數(shù)為0.50安,則Rx的測(cè)量值是多少?(5.0歐)RX的準(zhǔn)確值是多少?(5.01歐)②若待測(cè)電阻RX約為幾百歐,應(yīng)采用哪個(gè)電路圖來(lái)測(cè)量?(乙)如電壓表示數(shù)為16.0伏,安培表示數(shù)為0.080安.求RX的測(cè)量值和準(zhǔn)確值(200歐；199.8歐)作

業(yè)：《高二物理》P62（1）（2）

2．歐姆表

提出：伏安法測(cè)電阻的缺點(diǎn)除了測(cè)量原理上帶來(lái)的誤差外，還要同時(shí)應(yīng)用兩個(gè)電表：電壓表和安培表，也不方便.實(shí)際中常用歐姆表粗測(cè)電阻值.(1)歐姆表測(cè)電阻的原理:是閉合電路歐姆定律.如圖所示:I=ε/(r+Rg+Rx).如已知電池電動(dòng)勢(shì)ε,內(nèi)電阻r,電流表內(nèi)阻Rg,則只要測(cè)電流I就可算出待測(cè)電阻值Rx.(2)歐姆表的基本構(gòu)造: 如圖所示:電池(ε,r)與電流表(Rg),可變電阻(R)串聯(lián).紅表筆接電池負(fù)極 黑表筆通過(guò)R,Rg接電池正極.Ⅰ:紅黑表筆短路時(shí) Rx=0,調(diào)整R使電表滿偏.Ig=ε/(Rg+r+R)電流表指針滿偏時(shí) 表明Rx=0 我們把Rg+r+Rx叫歐姆表的中值電阻R內(nèi) Ⅱ:紅黑表筆不接觸時(shí)

I=0指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn),即指著電流表的零點(diǎn).Rx=∞ Ⅲ:紅黑表筆間接上待測(cè)電阻Rg時(shí)

電流I=ε/Rg+R+r+Rx 已知ε和R內(nèi),測(cè)出I就可算出Rx Rx改變,I隨著改變.可見(jiàn)每一個(gè)Rx值都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的電 流值I.如果我們?cè)诳潭缺P上直接標(biāo)出與I對(duì)應(yīng)的電阻Rx 的值,那么只要用紅黑表筆分別接觸待測(cè)電阻的兩端,就可 以從表盤上直接讀出它的阻值.說(shuō)明:歐姆表的刻度值與伏特表和安培表不同.歐姆表是反刻 度的.指針滿偏時(shí)Rx=0,指針不動(dòng)時(shí)Rx=∞；歐姆表的刻度不 均勻.(3)使用方法: 選擇合適檔位: 根據(jù)Rx的估計(jì)值選擇合檔位使指針在中點(diǎn)附

近,這樣測(cè)量值精確些.(改變中值電阻)調(diào) 零: 紅黑表筆短路,調(diào)整調(diào)零電阻使指針滿偏.測(cè)量 讀數(shù): 說(shuō)明:用歐姆表來(lái)測(cè)電阻是很方便的,但是電池用久了,它的電 動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻都要變化,那時(shí)歐姆表指示的電阻值,誤差就相 當(dāng)大了,所以歐姆表只能用來(lái)粗測(cè)電阻.用歐姆表測(cè)量電阻時(shí),一定要使被測(cè)電阻同其它電路脫離開(kāi).作 業(yè):預(yù)習(xí)《高二物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告》練習(xí)用多用電表測(cè)量電阻

第四篇：高二物理半導(dǎo)體教案1

14.3 半導(dǎo)體及其應(yīng)用

一、教學(xué)目標(biāo) 1．知道什么是半導(dǎo)體 2．了解半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 3．了解半導(dǎo)體的應(yīng)用

二、教學(xué)重點(diǎn) 了解半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

三、教學(xué)方法 實(shí)驗(yàn)演示

四、教具

演示用歐姆表，熱敏電阻，光敏電阻，火柴，手電筒等

五、課時(shí)安排 0.5課時(shí)

六、教學(xué)過(guò)程

（一）引入新課

用提問(wèn)的方式復(fù)習(xí)上節(jié)課學(xué)習(xí)的知識(shí)：

1．什么是導(dǎo)體？其電阻與哪些因素有關(guān)？寫出電阻定律的表達(dá)式。2．導(dǎo)體的電阻率跟什么有關(guān)？導(dǎo)體的電阻率和導(dǎo)體的電阻有何區(qū)別？ 待學(xué)生回答后，教師：本節(jié)課學(xué)習(xí)有關(guān)半導(dǎo)體的知識(shí)。

（二）進(jìn)行新課 1．什么是半導(dǎo)體

金屬導(dǎo)體的電阻率一般約為10-8Ω·ｍ~10-6Ω·ｍ 絕緣體的電阻率一般約為108Ω·ｍ~1018Ω·ｍ 半導(dǎo)體的電阻率一般約為10-5Ω·ｍ~106Ω·ｍ 2．半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能 【演示】（1）將半導(dǎo)體熱敏電阻（或鍺材料三極管3AX系列，e—c極反接）與演示用歐姆表串聯(lián)，此時(shí)表盤指示電阻較大。將火柴燃燒并靠進(jìn)熱敏電阻時(shí)，歐姆表顯示其阻值急劇減小。

【結(jié)論】①半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度升高而減小，稱為半導(dǎo)體的熱敏特性。【演示】（2）將半導(dǎo)體光敏電阻（或玻璃殼3AX81三極管外殼漆皮刮掉，使用e—c極）與演示用歐姆表串聯(lián)，此時(shí)表盤指示電阻較大。用手電筒照射光敏電阻時(shí)，歐姆表顯示其阻值急劇減小。

【結(jié)論】②半導(dǎo)體材料的電阻率隨光照而減小，稱為半導(dǎo)體的光敏特性。

【演示】（2）將半導(dǎo)體光敏電阻（或玻璃殼3AX81三極管外殼漆皮刮掉，使用e—c極）與演示用歐姆表串聯(lián)，此時(shí)表盤指示電阻較大。用手電筒照射光敏電阻時(shí)，歐姆表顯示其阻值急劇減小。

半導(dǎo)體還有一個(gè)重要特性：

③半導(dǎo)體材料中摻入微量雜質(zhì)也會(huì)使它的電阻率產(chǎn)生急劇變化，稱為半導(dǎo)體的摻雜特性。

3．半導(dǎo)體導(dǎo)電特性的應(yīng)用及發(fā)展

1906年真空三極管的發(fā)明，為上個(gè)世紀(jì)上半葉無(wú)線電和電話的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1947年，美國(guó)貝爾研究所的巴丁、肖克萊、布拉坦研制出第一個(gè)晶體三極管。它的出現(xiàn)成為上世紀(jì)下半葉世界科技發(fā)展的基礎(chǔ)。其功耗極低，而且可靠性高，轉(zhuǎn)換速度快，功能多樣，尺寸又小，因而成為當(dāng)時(shí)出現(xiàn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)的理想器件，并很快在無(wú)線電技術(shù)和軍事上獲得廣泛的應(yīng)用。由于研制成晶體管，他們?nèi)双@得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

半導(dǎo)體材料在目前的電子工業(yè)和微電子工業(yè)中主要用來(lái)制作晶體管、集成電路、固態(tài)激光器等器件。我們現(xiàn)在常見(jiàn)的晶體管有兩種，即雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管，他們都是計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵器件。前者是計(jì)算機(jī)中央處理器裝置（即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作部分）的基本單元，后者是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的基本單元。兩種晶體管的性能在很大程度上均依賴于原始硅晶體的質(zhì)量。

砷化鎵單晶材料是繼鍺、硅之后發(fā)展起來(lái)的新一代半導(dǎo)體材料。它具有遷移率高、禁帶寬度大等特點(diǎn)，在工作速度、頻率、光電性能和工作環(huán)境許多方面有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。它是目前最重要、最成熟的化合物半導(dǎo)體材料，主要應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域。

電子技術(shù)最初的應(yīng)用領(lǐng)域主要是無(wú)線電通信、廣播、電視的發(fā)射和接收。雷達(dá)作為一種探測(cè)敵方飛行器的裝置在第二次世界大戰(zhàn)中大顯身手。成為現(xiàn)代電子技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。電子顯微鏡、各種波譜和表面能譜儀以及加速器、遙測(cè)、遙控和遙感、醫(yī)學(xué)也是電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。微電子技術(shù)和量子電子學(xué)也是現(xiàn)代電子技術(shù)中最活躍的前沿領(lǐng)域之一。

（三）布置作業(yè) 1．復(fù)習(xí)本節(jié)課文。

2．課下搜集有關(guān)半導(dǎo)體以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的資料。

（四）教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明：

1．本節(jié)課的演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生實(shí)際體會(huì)到半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，并且與金屬的導(dǎo)電性能加以區(qū)別，所以要充分做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

2．介紹半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史時(shí)，應(yīng)盡量結(jié)合實(shí)際生活中學(xué)生比較了解的應(yīng)用。例如，在計(jì)算機(jī)技術(shù)日益普及的今天，可以通過(guò)介紹計(jì)算機(jī)的只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），讓學(xué)生了解半導(dǎo)體材料和技術(shù)的應(yīng)用。

第五篇：半導(dǎo)體物理教學(xué)大綱（精選）

《半導(dǎo)體物理》

課程編號(hào)：01500277

課程名稱：半導(dǎo)體物理 Semiconductor Physics 學(xué)分：3.5 學(xué)時(shí): 56

先修課程： 固體物理、量子力學(xué)、理論物理

一、目的與任務(wù)

《半導(dǎo)體物理學(xué)》是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門必修課程。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生掌握半導(dǎo)體物理的基本理論和基本規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生分析和應(yīng)用半導(dǎo)體各種物理效應(yīng)的能力，同時(shí)為后繼課程《半導(dǎo)體器件》與《半導(dǎo)體集成電路》的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

本課程的任務(wù)是揭示和研究半導(dǎo)體的微觀機(jī)構(gòu)，從微觀的角度解釋發(fā)生在半導(dǎo)體中的宏觀物理現(xiàn)象；重點(diǎn)學(xué)習(xí)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律；學(xué)習(xí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布、輸運(yùn)理論及相關(guān)規(guī)律；學(xué)習(xí)載流子在輸運(yùn)過(guò)程中發(fā)生的一些宏觀物理現(xiàn)象；學(xué)習(xí)半導(dǎo)體的某些基本結(jié)構(gòu)，包括金屬半導(dǎo)體結(jié)及表面問(wèn)題。

二、教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配

第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)（8學(xué)時(shí)）1．半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)與能帶 2．半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)有效質(zhì)量 3．本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)空穴 4．硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)

第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)（2學(xué)時(shí)）1．硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 2．Ⅲ-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)

第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布（8學(xué)時(shí)）1．狀態(tài)密度

2．費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布 3．本征半導(dǎo)體的載流子濃度 4．雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 5．一般情況下的載流子統(tǒng)計(jì)分布 6．簡(jiǎn)并半導(dǎo)體

第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（8學(xué)時(shí)）1．載流子的漂移運(yùn)動(dòng)遷移率 2．載流子的散射

3．遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 4．電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 5．波爾茲曼方程電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)理論 6．強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng)，熱載流子 7．多能谷散射耿氏效應(yīng) 第五章 非平衡載流子（8學(xué)時(shí)）1．非平衡載流子的注入與復(fù)合 2．非平衡載流子的壽命 3．準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 4．復(fù)合理論 5．陷阱效應(yīng) 6．載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

7．載流子的漂移運(yùn)動(dòng)愛(ài)因斯坦關(guān)系 8．連續(xù)性方程式

第六章 金屬和半導(dǎo)體接觸（4學(xué)時(shí)）1．金屬與半導(dǎo)體接觸及其能帶圖 2．金屬與半導(dǎo)體接觸的整流理論 3．歐姆接觸

第七章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)（4學(xué)時(shí)）1．表面態(tài) 2．表面電場(chǎng)效應(yīng)

3．MIS結(jié)構(gòu)的電容電壓特性 4．硅—二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì) 第八章 異質(zhì)結(jié)（2學(xué)時(shí)）1．異質(zhì)結(jié)及其能帶圖 2．異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)

第九章半導(dǎo)體的光電性質(zhì)、光電與發(fā)光現(xiàn)象（4學(xué)時(shí)）1．半導(dǎo)體的光吸收和光電導(dǎo) 2．半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) 3．半導(dǎo)體的發(fā)光、激光

第十章 半導(dǎo)體熱電性質(zhì)（4學(xué)時(shí)）1．熱電效應(yīng) 2．熱電效應(yīng)的應(yīng)用

第十一章 半導(dǎo)體磁和壓阻效應(yīng)（4學(xué)時(shí)）1．霍耳效應(yīng) 2．磁阻效應(yīng) 3．光磁電效應(yīng) 4．壓阻效應(yīng)

三、考核與成績(jī)?cè)u(píng)定

采用紙筆式閉卷考試，按百分制進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

四、大綱說(shuō)明

1.本課程在理論物理基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)之后開(kāi)設(shè)。學(xué)生應(yīng)掌握必要的熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、量子力學(xué)、電磁場(chǎng)、固體物理學(xué)等知識(shí)。

2.在保證基本教學(xué)要求的前提下，教師可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和刪節(jié)。

3.本大綱適合近電子科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)。

五、教科書、參考書

［1］劉恩科，朱秉升，羅晉生等.半導(dǎo)體物理學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.［2］葉良修.半導(dǎo)體物理學(xué)［M］.上冊(cè).北京：高等教育出版社，1986.［3］S.M.Sze,physics of Semiconductor Devices［M］.John Wiley and Sons,Inc.1981.《微電子器件基礎(chǔ)》