半导体的基本知识
1-1半导体的基本知识
课          题：半导体基本知识
教学目的、要求：1、了解半导体的导电特性；
                2、掌握PN结及其单向导电性。
教学重点、难点：1、PN结形成的过程；（难点）
                2、PN结的单向导电性。（重点）
授  课  方  法：多媒体课件讲授，提纲及重点板书。
第一章 常用半导体器件
§1-1 半导体的基本知识
一、什么是半导体
1、物质按导电能力的分类
2、半导体的特点
3、半导体导电特性
4、N型和P型半导体
二、PN结及其单向导电性
1、PN结的形成
2、PN结的单向导电性
授  课  提  纲：
教  学  内  容：
组织教学
准备教学材料，清点学生人数。（课前2分钟）
引入新课
半导体器件是用半导体材料制成的电子器件。常用的半导体器件有二极管、三极管、场效应晶体管等。半导体器件是构成各种电子电路最基本的元件。
    从本节课开始，我们先从半导体的基本知识开始，介绍常用的半导体器件。要求大家本征半导体的特点，掌握PN结的形成及单向导电性。（2分钟）
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第一章 常用半导体器件
§1-1 半导体的基本知识【板书】
一、什么是半导体【板书】
1、物质按导电能力的分类【标题板书+内容多媒体】（8分钟）
自然界中的物质按其导电能力可以分为三大类：导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。
⑴导体：一般为低价元素，如铜、铁、铝等金属，其最外层电子受原子核的束缚力很小，因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下，这些电子产生定向移动形成电流，呈现出较好的导电特性。
⑵绝缘体：高价元素（如惰性气体）和高分子物质（如橡胶，塑料）最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子，所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。
⑶半导体：半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚,成为自由电子,也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧,因此，半导体的导电特性介于二者之间。
半导体有硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）及金属的氧化物和硫化物。最常用的是硅和锗。
2、半导体的特点【标题板书+内容多媒体】（5分钟）
    半导体之所以被用来制造电子元器件，不是在于它的导电能力处于导体与绝缘体之间，而是由于它的导电能力在外界某种因素作用下发生显著的变化，这种特点表现如下：
⑴半导体的电导率可以因为加入杂质而发生显著的变化。例如在室温30℃时，纯硅中掺入一亿分之一的杂质，其电导率会增加好几百倍。各种半导体器件的制作正是利用了掺杂特性来改变和控制半导体的电导率。
知识扩展
电导率：电阻率的倒数，符号为σ，单位为西门子／米（S／m），表示电流通过的难易程度，其数值越大，表示电流越容易通过。
⑵温度的变化会使半导体的电导率发生显著的变化，利用这种热敏效应，人们制作出了热敏元件。但另一方面热敏效应会使半导体器件的热稳定性下降。
⑶光照不仅可以改变半导体的电导率，还可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光电晶体管、光耦合器和光电池等。
3、半导体导电特性【标题板书+内容多媒体】（12分钟）
⑴本征半导体
纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。常温下，本征半导体导电能力很弱，但温度升高，导电能力增强，且在本征半导体中掺入微量的其他元素，也可使导电能力大大增强。
⑵自由电子与空穴
共价键中的价电子由于热运动而获得一定的能量，其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子，同时必然在共价键中留下空位，称为空穴。自由电子带负电，空穴带正电，如图1所示。
图1  本征半导体中的自由电子和空穴
    常温下，半导体中存在一定数量的电子-空穴对。空穴的出现，是半导体区别于其他导体导电的一个重要特点。
⑶载流子
    含空穴的原子失去了电子，因而带正电。它将吸取相邻原子中的价电子，并使它挣脱原
来的共价键的束缚去填补前面的空穴，从而出现了新的空穴。当电子按照某一方向连续补空穴时，其效果完全等同于带正电的空穴向相反方向移动。从这种意义上来看，电子和空穴一样都是一种运载电荷的粒子，称为载流子。
    由此可见，半导体中存在着两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。本征半导体中，自由电子与空穴是同时成对产生的，因此，它们的浓度是相等的。
4、N型和P型半导体【标题板书+内容多媒体】（13分钟）
⑴N型半导体
在本征半导体中，掺入微量五价元素（如磷、锑、砷等），则晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。由于杂质原子的最外层有５个价电子，因此它与周围４个硅(锗)原子组成共价键时，还多余1个价电子。它不受共价键的束缚，而只受自身原子核的束缚，因此，它只要得到较少的能量就能成为自由电子，并留下带正电且不能参与导电的杂质离子。如图2所示。
这种半导体的导电主要是靠电子，所以称它为电子半导体，简称N型半导体。在N型半导体
中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。多数载流子的浓度取决于掺杂数目，少数载流子的浓度取决于温度。
⑵P型半导体
在本征半导体中，掺入微量三价元素，如硼、镓、铟等，则原来晶格中的某些硅(锗)原子被杂质原子代替。如图3所示。
这种半导体的导电主要是靠空穴，所以称它为空穴半导体，简称P型半导体。在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。
图2 N型半导体共价键结构  图3 P半导体共价键结构
二、PN结及其单向导电性
1、PN结的形成【标题板书+内容多媒体】（20分钟）
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:
浓度差→多数载流子的扩散运动→由杂质离子形成空间电荷区→空间电荷区形成内电场→内电场促使少数载流子漂移、阻止多数载流子扩散
最后，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，我们称为PN结。PN结的形成如图4所示。
空间电荷区形成了一个方向由N区指向P区的内电场，内电场的作用是阻碍多数载流子的继续扩散，故称此空间电荷区为阻挡层。空间电荷层没有载流子，所以也称耗尽层。
   
图4 PN结的形成
2、PN结的单向导电性【标题板书+内容多媒体】（15分钟）
⑴外加正向电压（也叫正向偏置）
外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。如图5所示。
⑵外加反向电压（也叫反向偏置）
外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。如图6所示。
 
图5 PN结外加正向电压      图6 PN结外加反向电压
综上所述，当PN结正偏时，电阻很小，正向电流较大；当PN结反偏时，电阻很大，反向电流很小，近似认为当PN结截止。这就是PN结的一个重要特性：单向导电性，即正偏导通，反偏截止。
课堂练习
提问以下问题：（3分钟）
1、根据导电能力来衡量，自然界的物质可以分为      、      和      三类。
（导体、绝缘体、半导体）
2、常用的半导体材料是        和        。
（硅、锗）
3、PN结具有          性能，即加正向电压时PN结    ，加反向电压时PN结    。
（单向导电性、导通、截止）
4、半导体中传导电流的载流子有      和      。
（自由电子、空穴）
本节小结电子器件有哪些
半导体的基本知识（1分钟）
1、导体、绝缘体、半导体
2、半导体的导电特性
3、PN结及其单向导电性
布置作业
1、复习§1-1半导体的基本知识，完成习题册本节全部习题。
2、预习§1-2二极管，解决以下问题：
⑴了解二极管的结构、符号和类型。
⑵二极管具有什么特性？
⑶二极管有哪些主要参数？（1分钟）

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