半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)教案

課序：1課題：第一章第1.1節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)目的規(guī)定：1.理解本征半導(dǎo)體的構(gòu)造和特性2.掌握雜質(zhì)半導(dǎo)體的構(gòu)造和特性3.牢固掌握P型和N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)P型和N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)難點(diǎn)本征激發(fā)教學(xué)手段:結(jié)合電子課件解說教具：電子課件、計(jì)算機(jī)、投影屏幕復(fù)習(xí)提問1.三、四、五價(jià)化學(xué)元素有哪些？2.惰性氣體有何特點(diǎn)？課堂討論1.何謂本征半導(dǎo)體？其導(dǎo)電能力由什么因素決定。2.P型和N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)？3.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與哪些因素有關(guān)？學(xué)時(shí)分派:2學(xué)時(shí)授課內(nèi)容：引言模擬電子電路的核心是半導(dǎo)體器件，而半導(dǎo)體器件是由半導(dǎo)體材料制成的。因此，我們必須首先理解半導(dǎo)體的有關(guān)知識(shí)，特別應(yīng)當(dāng)理解半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。1.1.1導(dǎo)體、絕緣和半導(dǎo)體物質(zhì)按其導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。一.導(dǎo)體導(dǎo)電能力很強(qiáng)的物質(zhì)，叫導(dǎo)體。如低價(jià)元素銅、鐵、鋁等。二、絕緣體導(dǎo)電能力很弱，基本上不導(dǎo)電的物質(zhì),叫絕緣體.如高價(jià)惰性氣體和橡膠、陶瓷、塑料等高分子材料等.三.半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，叫半導(dǎo)體。如硅、鍺等四價(jià)元素，其簡(jiǎn)化原子構(gòu)造模型如圖課本１.１所示。為什么物質(zhì)的導(dǎo)電能力有如此大的差別呢？這與它們的原子構(gòu)造有關(guān)，即與它們的原子最外層的電子受其原子核束縛力的強(qiáng)弱有關(guān)。１.１.２本征半導(dǎo)體純凈且呈現(xiàn)晶體構(gòu)造的半導(dǎo)體，叫本征半導(dǎo)體。一.本征半導(dǎo)體構(gòu)造通過特殊工藝加工，能夠使硅或鍺元素的原子之間靠共有電子對(duì)—共價(jià)鍵，形成非常規(guī)則的晶體點(diǎn)陣構(gòu)造。成果每個(gè)原子外層相對(duì)排滿８?jìng)€(gè)電子，形成相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這種構(gòu)造整潔且單一的純凈半導(dǎo)體，叫本征半導(dǎo)體。如課本圖１-２所示二.本征激發(fā)在常溫下，由于熱能的激發(fā)，使本征半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子。同時(shí)，在共價(jià)鍵中留下一種空位，叫空穴。這種產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)的現(xiàn)象，叫本征激發(fā)。溫度一定，自由電子和空穴對(duì)的濃度也一定。由于本征激發(fā)而在本征半導(dǎo)體中存在一定濃度的自由電子（帶負(fù)電荷）和空穴（帶正電荷）對(duì)，故其含有導(dǎo)電能力，但其導(dǎo)電能力有限。１.１.３雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入適量且適宜的其它元素（叫雜質(zhì)元素），就形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，其導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)。一.Ｎ型半導(dǎo)體在硅或鍺本征半導(dǎo)體中摻入適量的五價(jià)元素（如磷），則磷原子與其周邊相鄰的四個(gè)硅或鍺原子之間形成共價(jià)鍵后，還多出一種電子，這個(gè)多出的電子極易成為自由電子參加導(dǎo)電。同時(shí),因本征激發(fā)還產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。成果,自由電子成為多數(shù)載流子(稱多子),空穴成為少數(shù)載流子(稱少子)。這種重要依靠多數(shù)載流子自由電子導(dǎo)電的雜質(zhì)半導(dǎo)體，叫N型半導(dǎo)體，如圖1-4所示。P型半導(dǎo)體在硅或鍺本征半導(dǎo)體中，摻入適量的三價(jià)元素（如硼），則硼原子與周邊的四個(gè)硅或鍺原子形成共價(jià)鍵后，還留有一種空穴。同時(shí)，因本征激發(fā)還產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。成果，空穴成為多子，自由電子成為少子。這種重要依靠多子空穴導(dǎo)電的雜質(zhì)半導(dǎo)體，叫P型半導(dǎo)體。如圖1-5所示。無外電場(chǎng)作用時(shí)，本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體對(duì)外均呈現(xiàn)電中性，其內(nèi)部無電流。小結(jié)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。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。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力重要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力重要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。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。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)。課序：2課題：第一章第1.2節(jié)PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管目的規(guī)定：1.理解PN結(jié)的形成機(jī)理。2.掌握PN結(jié)、二極管的單向?qū)щ娞匦?.理解穩(wěn)壓二極管和特種二極管的特點(diǎn)4.理解二極管和穩(wěn)壓二極管的用途重點(diǎn)難點(diǎn)：重點(diǎn)二極管的構(gòu)造、特性和參數(shù)難點(diǎn)PN結(jié)的形成手段:結(jié)合電子課件解說教具：電子課件、計(jì)算機(jī)、投影屏幕復(fù)習(xí)提問1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與那些因素有關(guān)？2.P型和N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)？課堂討論1.同溫下，硅二極管和鍺二極管的特性相似嗎？2.同一只二極管，當(dāng)溫度不同時(shí)，其特性相似嗎？3.PN結(jié)為什么含有單向?qū)щ娞匦?？學(xué)時(shí)分派:2學(xué)時(shí)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)復(fù)習(xí)提問新課解說課堂討論每課小結(jié)布置作業(yè)時(shí)間分派（分鐘）8751052授課內(nèi)容引言本征半導(dǎo)體、P型和N型半導(dǎo)體都不能單獨(dú)構(gòu)成半導(dǎo)體器件，PN結(jié)才是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基本單元。1.2.1PN結(jié)的形成在特殊工藝條件下，P型和N型半導(dǎo)體交界面處所形成的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié).多數(shù)載流子的擴(kuò)散在P型和N型半導(dǎo)體交界面兩側(cè),電子和空穴的濃度差很大。在濃度差的作用下，P區(qū)中的多子空穴向N區(qū)擴(kuò)散,在P區(qū)一側(cè)留下雜質(zhì)負(fù)離子,在N區(qū)一側(cè)集中正電荷;同時(shí)，N區(qū)中的多子自由電子向P區(qū)擴(kuò)散，在N區(qū)一側(cè)留下雜質(zhì)正離子，在P區(qū)一側(cè)集中負(fù)電荷。成果，在P型和N型半導(dǎo)體交界面處形成空間電荷區(qū)，自建內(nèi)電場(chǎng)ε內(nèi)（從N區(qū)指向P區(qū)），如課本圖1-6所示。少數(shù)載流子的漂移在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的少子自由電子向N區(qū)漂移，而N區(qū)中的少子空穴向P區(qū)飄移，使內(nèi)電場(chǎng)削弱。擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡當(dāng)內(nèi)電場(chǎng)達(dá)成一定值時(shí)，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與少子的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)不再變化，這個(gè)空間電荷區(qū)，就稱為PN結(jié)?？臻g電荷區(qū)無載流子停留，故曰耗盡層，又叫阻擋層或勢(shì)壘層。無外電場(chǎng)作用時(shí)，PN結(jié)內(nèi)部雖有載流子運(yùn)動(dòng)，但無定向電流形成。1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦砸?PN結(jié)加正向電壓PN結(jié)加正向電壓（正偏）時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)反方向，使空間電荷區(qū)變窄，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)不不大于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，由濃度大的多子擴(kuò)散形成較大的正向電流，PN結(jié)處在導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，其正向通態(tài)電阻很小，正向通態(tài)管壓降也很小，如圖1-7（a）所示。二.PN結(jié)加反向電壓PN結(jié)加反向電壓（反偏）時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)同方向，使空間電荷區(qū)變寬，多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大削弱，而少子的漂移運(yùn)動(dòng)相對(duì)加強(qiáng)，由濃度很小的少子漂移形成很小的反向飽和電流IS,PN結(jié)處在截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，反向電阻很大。如圖1-7（b）所示。PN結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止，故含有單向?qū)щ娞匦?。其特性曲線如圖1-8所示，電壓U與電流I的關(guān)系式為ID=IS（）三，反向擊穿當(dāng)PN結(jié)所加反向電壓達(dá)成UB時(shí)，其反向電流急劇增加，叫反向擊穿，UB叫擊穿電壓。PN結(jié)有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種擊穿狀態(tài)。無論處在何種擊穿時(shí)，反向電流只要不超出允許值，去掉反向電源后，仍能恢復(fù)單向?qū)щ娦?。四，PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢(shì)壘電容CT當(dāng)PN結(jié)的反偏電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)隨之變寬（相稱于充入電荷）或變窄（相稱于放出電荷），故含有電容效應(yīng)，叫勢(shì)壘電容，用CT表達(dá)。2.擴(kuò)散電容CD當(dāng)PN結(jié)的正偏電壓變化時(shí)，P區(qū)和N區(qū)中多子的濃度和濃度梯度均隨之變化，也含有一定的電容效應(yīng)，叫擴(kuò)散電容，用CD表達(dá)3.PN結(jié)的結(jié)電容CJCJ=CT+CD正偏時(shí)，CD起重要作用；反偏時(shí)，CT起重要作用。1.2.3半導(dǎo)體二極管一，二極管的構(gòu)造給PN結(jié)加上兩個(gè)引線（管腳）和管殼即成二極管，接P區(qū)的管腳稱陽極，接N區(qū)的管腳稱陰極。二，二極管的類型按構(gòu)造分辨，如圖1-2所示點(diǎn)接觸型：PN結(jié)面積小，工作電流小，PN結(jié)電容小，工作頻率高。面接觸型：PN結(jié)面積大，工作電流大，PN結(jié)電容大，工作頻率低。按工作頻率分辨有高頻管和低頻管。按功率分辨有大功率管和小功率管。按用途分辨有普通管、整流管、穩(wěn)壓管、開關(guān)管等等。三，二極管的特性正向特性，與PN結(jié)相似反向特性，與PN結(jié)相似擊穿特性，與PN結(jié)相似溫度特性，溫度升高時(shí)，二極管的正反向特性曲線均向縱軸靠近，如圖1-13所示。重要參數(shù)最大整流電流IF，又叫額定電流。最大反向工作電壓UR，又叫額定電壓。反向飽和電流IS。反向電流IR，二極管未擊穿時(shí)的電流值。最高工作頻率fM。直流電阻RD：RD=UD/IF，如圖1-14所示。交流電阻rd：RD=ΔUD/ΔID=dud/did,如圖1-15所示。rd系指某一工作點(diǎn)的動(dòng)態(tài)電阻。常溫下，rd=UT/ID=26(mv)/IDQIDQ為直流工作點(diǎn)的電流，單位為mA1.2.4穩(wěn)壓二極管一.構(gòu)造構(gòu)造與普通二極管相似，只是摻雜濃度比普通二極管大得多，普通為硅材料穩(wěn)壓二極管。二.特性正向特性曲線與普通二極管的正向特性曲線相似；反響未擊穿的特性曲線與普通二極管的反向擊穿時(shí)的特性曲線相似。但穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性曲線很陡。如圖1-16所示。三.參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ2.穩(wěn)定電流IZ3.額定功率PZ4.動(dòng)態(tài)電阻rZ，rZ=ΔUZ/ΔIZ，rZ很小。5.電壓溫度系數(shù)α。α=ΔUZ/Ut×100%。UZ>7V時(shí)，α為正溫度系數(shù)；UZ<5V時(shí)，α為負(fù)溫度系數(shù)；5V<UZ<7V時(shí)，α受溫度的影響很小，α≈0.1.2.5特種二極管一.發(fā)光二極管將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。正偏時(shí)，有正向電流通過而發(fā)光，其正向通態(tài)管壓降為1.8—2.2V.二.光電二極管將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件。反向偏置下，當(dāng)光線強(qiáng)弱變化時(shí)，光電二極管的反向電流隨之變化。三.光電耦合器光電耦合