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时间:2018-05-17
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1、学科模拟电子班级12秋机电日期授课教师课题半导体基础知识课时数2学时课型新授教学目标1.了解PN结的形成;2.理解PN结的单向导电性。教学重点难点重点:PN结的单向导电性;难点:1.掺杂半导体中的多子和少子的概念;2.PN结的形成;3.半导体的导电机理:两种载流子参与导电;教具多媒体课件教学过程内容、步骤、方法附记导入:介绍日常生活中由半导体器件构成的物品。新授:一、半导体基本概念1、半导体及其导电性能根据物体的导电能力的不同,电工材料可分为三类:导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料,半导体的
2、电阻率为10-3~10-9W·cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别:当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显变化;往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时,会使它的导电能力具有可控性,这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。2、本征半导体的结构及其导电性能本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,常称为“九个9”,它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、3、半导体的本征激发与复合现象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。4、半导体的导电机理自由电子的定向运动形成了电子电流,空穴的定向运动也可形成空穴电流,因此,在半导体中有自由电子和空穴两种
4、承载电流的粒子(即载流子),这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子(共价键中的束缚电子)依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电,而电子的运动与空穴的运动方向相反,因此认为空穴带正电。5、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。在本征半导体中掺入五价元素(如磷),就形成N型(电子型)半导体;掺入三价元素(如硼、镓、铟等)就形成P型(空穴型)半导体。杂质半导体的导电性能与其掺杂浓度和温度有关,掺杂浓度越大、温度越高,其导电能力越强。在N型半导体中,电子是多数载流子,空穴是少数载
5、流子。多子(自由电子)的数量=正离子数+少子(空穴)的数量在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。多子(空穴)的数量=负离子数+少子(自由电子)的数量二、PN结的形成及其单向导电性1、PN结的形成半导体中的载流子有两种有序运动:载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。PN结的形成:在同一块半导体上形成P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。2、PN结的单相导电性当P区的电位高于N区的电位时,称为加
6、正向电压(或称为正向偏置),此时,PN结导通,呈现低电阻,流过mA级电流,相当于开关闭合;当N区的电位高于P区的电位时,称为加反向电压(或称为反向偏置),此时,PN结截止,呈现高电阻,流过μA级电流,相当于开关断开。PN结是半导体的基本结构单元,其基本特性是单向导电性:即当外加电压极性不同时,PN结表现出截然不同的导电性能。PN结的单向导电性:PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。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
7、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。2、PN结温度特性当温度升高时,PN结的反向电流增大,正向导通电压减小,这也是半导体器件热稳定性差的主要原因。3、PN结电容效应PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定:一是势垒电容CB,二是扩散电容CD,它们均为非线性电容。*势垒电容是耗尽层变化所等效的电容。势垒电容与PN结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压等因素有关。扩散电容是扩散区内电荷的积累和释放所等效的电容。扩散电容与PN结正向电流和温度等因
8、素有关。PN结电容由势垒电容和扩散电容组成。PN结正向偏置时,以扩散电容为主;反向偏置时以势垒电容为主。只有在信号频率较高时,才考虑结电容的作用作业内容1.复习PN结的形成过程;2.预习下一小节“半导体二极管”相关内容。教学后记通过这
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