2022年《汽车电工电子技术基础》教案 .pdf

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1、课 程名 称汽车电工电子技术基础课题本征和杂质半导体授 课班 级汽修中技1301、1302 授课日期2014.3.25 授课时数2 学时教 学类 型理论授新教学方法讲授、提问、演示教材及参考资料汽车电工电子技术基础国防科技大学出版社教 学目 标1、 了解本征和杂质半导体的概述。2、 掌握本征和杂质半导体的异同。教 学重 难点 及其 突出 方法 、化 解方法教学重点和突出方法：本征和杂质半导体的概述，通过设疑、解答的方法来突出重点。教学难点和化解方法：本征和杂质半导体的异同，通过联系实际举例进行讲解。教 学准 备教案、素材。教 学对 象分 析汽修中技 1301、1302 班，班级人数59 人和

2、58 人。该班在初中电工基础基本操作技能中，学过交流电原理的相关知识，因此在讲解时学生比较容易接受这两节的内容。教学总结1、 本征和杂质半导体的概述。2、 本征和杂质半导体的异同。对上述的内容进行归纳、总结，以提问的形式加强学生对本节知识点的认识。布置作业教材 P103 第 3、4 题教 学反 思该节课上得比较成功，体现在课堂气氛较好，同学们能掌握学习的目标内容，通过联系实际举例进行讲解，让学生能学习到本征和杂质半导体的概述和本征和杂质半导体的异同。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，

3、共 9 页 - - - - - - - - - - 教 学 活 动教学流程内容教学手段教师活动和学生活动评价方法与评价材料时间分配组 织教学1.检查学生课前准备情况。2.上课起立，师生互致问候。3.点名、检查学生出勤并记录，完成教学准备工作。组织号召清点人数并将出勤情况记录在学生考勤表上，整顿课堂纪律。学生举手应答考勤表3分钟复 习旧课复习上节课所学的知识：我们日常生活中如何安全用电？提问教师提出问题， 根据花名册上的名单随机点名让学生回答问题。记录平时成绩。根据学生回答的内容进行评价3分钟课 程导入我们日常生活中什么是 本征和杂质半导体？讲授教师根据前述内容导入本节的内容知识本征和杂质半导体

4、； 同学们对本节课程的内容有一个大概的了解，明白本节课程的主要就是学习本征和杂质半导体。观察同学们对本节课知识的需求程度4分钟理 论授新本征和杂质半导体的概述。板书、讲授教师板书过后， 讲述本征和杂质半导体的概述，学生在听课过程中，认识本征和杂质半导体的相关知识。学生跟读相关定义30 分钟本征和杂质半导体的异同。板书、讲解、展示、提示教师通过板书讲解本征和杂质半导体的异同；提示学生书本上重点段落划线。学生在听课过程中，认识本征和杂质半导体的异同。教师提示，学生能讲出本征和杂质半导体的异同。40 分钟精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳

5、- - - - - - - - - -第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 板 书 设 计第六章常用半导体器件及应用6.1 本征和杂质半导体所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介乎导体和绝缘体之间。用得最多的半导体是锗和硅，都是四价元素。 将锗或硅材料提纯后形成的完全纯净、具有晶体结构的半导体就是本征半导体。半导体的导电能力在不同条件下有很大差别。一般来说，本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键，导电能力并不强。但有些半导体在温度增高、受光照等条件下，导电能力会大大增强，利用这种特性可制造热敏电阻、光敏电阻等器件。更重要的是，在本征半导体中掺入微量杂质后，其导电能力就

6、可增加几十万乃至几百万倍，利用这种特性就可制造二极管、三极管等半导体器件。2、 半导体的这种与导体和绝缘体截然不同的导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的。在半导体共价键结构中，价电子（原子的最外层电子）不像在绝缘体（8 价元素）中那样被束缚得很紧，在获得一定能量（温度增高、受光照等）后，即可摆脱原子核的束缚（电子受到激发），成为自由电子，同时共价键中留下的空位称为空穴。在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理

7、上的本质区别。(1) 本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。惯性核带有4 个单位正电荷，最外层有4 个价电子带有4 个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。(2) 电子空穴对一般来说， 共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发） 。理论和实

8、验表明：在常温（T300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能 EG （=1.1eV ）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有 0.72eV。当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称为空穴 。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，

9、并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 讲义第六章常用半导体器件及应用6.1 本征和杂质半导体所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介乎导体和绝缘体之间。用得最多的半导体是锗和硅，都是四价元素。 将锗或硅材料提纯后形成的完全纯净、具有晶体结构的半导体就是本征半导体。半导体的导电能力在不同条件下有很大差别。一般来说，本征半导体相邻原子间存在稳固的共价键，导电能力并不强。但有些半导体在温度增高、受光照等条件

10、下，导电能力会大大增强，利用这种特性可制造热敏电阻、光敏电阻等器件。更重要的是，在本征半导体中掺入微量杂质后，其导电能力就可增加几十万乃至几百万倍，利用这种特性就可制造二极管、三极管等半导体器件。半导体的这种与导体和绝缘体截然不同的导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的。在半导体共价键结构中，价电子（原子的最外层电子）不像在绝缘体（8 价元素）中那样被束缚得很紧，在获得一定能量（温度增高、受光照等）后，即可摆脱原子核的束缚（电子受到激发），成为自由电子，同时共价键中留下的空位称为空穴。在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电流，一是仍被原子核束缚的价电子

11、（不是自由电子）递补空穴形成的空穴电流。也就是说，在半导体中存在自由电子和空穴两种载流子，这是半导体和金属在导电机理上的本质区别。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合，在一定温度下达到动态平衡，载流子便维持一定数目。温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。本征半导体的导电特性常用的半导体材料是单晶硅（Si ）和单晶锗（ Ge ） 。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。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”。它在物理结构上呈单晶体形态。

12、(1) 本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。 惯性核带有4 个单位正电荷， 最外层有4 个价电子带有4 个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。这种结构的立体和平面示意图见图1。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 讲义(2) 电

13、子空穴对一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发） 。理论和实验表明：在常温（T300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能EG （=1.1eV）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有0.72eV。当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称为空穴 。当空穴出现时， 相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新

14、的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个 电子一空穴 对，这一相反过程称为“复合”，如图2 所示。在一定温度条件下，产生的 电子一空穴对 和复合的 电子一空穴对 数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时 电子一空穴对 维持一定的数目。精品资料 - - - 欢迎下载 - - -

15、 - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 讲义可见， 在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。(3) 空穴的移动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，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。(1

16、) N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷， 可形成 N型半导体 ,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子, 它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。N型半导体的结构示意图如图3 所示。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 9 页 - -

17、 - - - - - - - - 讲义(2) P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。P型半导体的结构示意图如图4 所示。杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下: T=300K 室温下 , 本征硅的电子和空穴浓度为: 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - -

18、 - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 讲义精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - - 文档编码：KDHSIBDSUFVBSUDHSIDHSIBF-SDSD587FCDCVDCJUH 欢迎下载 精美文档欢迎下载 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - - -