高一物理半导体教案

高一物理半导体教案3篇(半导体器件教案)

　　下面是范文网小编分享的高一物理半导体教案3篇(半导体器件教案)，供大家参考。

高一物理半导体教案1

《半导体物理》

　　课程编号：0

　　课程名称：半导体物理 Semiconductor Physics 学分： 学时: 56

　　先修课程： 固体物理、量子力学、理论物理

　　一、目的与任务

《半导体物理学》是电子科学与技术专业的一门必修课程。通过学习本课程，使学生掌握半导体物理的基本理论和基本规律，培养学生分析和应用半导体各种物理效应的能力，同时为后继课程《半导体器件》与《半导体集成电路》的学习奠定基础。

　　本课程的任务是揭示和研究半导体的微观机构，从微观的角度解释发生在半导体中的宏观物理现象；重点学习半导体中的电子状态及运动规律；学习半导体中载流子的统计分布、输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中发生的一些宏观物理现象；学习半导体的某些基本结构，包括金属半导体结及表面问题。

　　二、教学内容及学时分配

　　第一章 半导体中的电子状态（8学时）1．半导体中的电子状态与能带 2．半导体中电子的运动有效质量 3．本征半导体的导电机构空穴 4．硅和锗的能带结构

　　第二章 半导体中杂质和缺陷能级（2学时）1．硅、锗晶体中的杂质能级 2．Ⅲ-V族化合物中的杂质能级

　　第三章 半导体中载流子的统计分布（8学时）1．状态密度

　　2．费米能级和载流子的统计分布 3．本征半导体的载流子浓度 4．杂质半导体的载流子浓度 5．一般情况下的载流子统计分布 6．简并半导体

　　第四章 半导体的导电性（8学时）1．载流子的漂移运动迁移率 2．载流子的散射

　　3．迁移率与杂质浓度和温度的关系 4．电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 5．波尔兹曼方程电导率的统计理论 6．强电场下的效应，热载流子 7．多能谷散射耿氏效应 第五章 非平衡载流子（8学时）1．非平衡载流子的注入与复合 2．非平衡载流子的寿命 3．准费米能级 4．复合理论 5．陷阱效应 6．载流子的扩散运动

　　7．载流子的漂移运动爱因斯坦关系 8．连续性方程式

　　第六章 金属和半导体接触（4学时）1．金属与半导体接触及其能带图 2．金属与半导体接触的整流理论 3．欧姆接触

　　第七章 半导体表面与MIS结构（4学时）1．表面态 2．表面电场效应

　　3．MIS结构的电容电压特性 4．硅—二氧化硅系统的性质 第八章 异质结（2学时）1．异质结及其能带图 2．异质结的电流输运机构

　　第九章半导体的光电性质、光电与发光现象（4学时）1．半导体的光吸收和光电导 2．半导体的光生伏特效应 3．半导体的发光、激光

　　第十章 半导体热电性质（4学时）1．热电效应 2．热电效应的应用

　　第十一章 半导体磁和压阻效应（4学时）1．霍耳效应 2．磁阻效应 3．光磁电效应 4．压阻效应

　　三、考核与成绩评定

　　采用纸笔式闭卷考试，按百分制进行成绩评定。

　　四、大纲说明

　　1.本课程在理论物理基础课程学习之后开设。学生应掌握必要的热力学与统计物理、量子力学、电磁场、固体物理学等知识。

　　2.在保证基本教学要求的前提下，教师可以根据实际情况，对内容进行适当的调整和删节。

　　3.本大纲适合近电子科学与技术类专业。

　　五、教科书、参考书

［1］刘恩科，朱秉升，罗晋生等.半导体物理学［M］.北京：国防工业出版社，1994.［2］叶良修.半导体物理学［M］.上册.北京：高等教育出版社，1986.［3］,physics of Semiconductor Devices［M］.John Wiley and Sons,《微电子器件基础》

高一物理半导体教案2

　　第5,6学时

? 授课题目（教学章节或主题）：半导体物理基础。本授课单元教学目标或要求：

　　掌握半导体特性、载流子的运动、PN结以及三种光电效应；了解能带理论、PN结的三种接触方式。

? 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）： * 基本内容：

　　引入：

　　光电器件：半导体制作而成。理论基础很重要，有助于深入理解其原理及灵活运用。关于半导体的物理基础，许多专门著作都有系统的论述。这里仅介绍与光电器件有关的半导体物理基础知识。

　　自然界中的物质：气体、液体或固体。这里主要是讨论可以制作光电器件的固体半导体材料。

　　固体：

　　按其原子排列，可以分成晶体与非晶体两类；

　　按导电能力，则可分成导体、绝缘体和半导体三种。

-6-3导体：l0一10Ω·cm范围内的物质称为(如银、铜、铝、铁等金属)；

　　12绝缘体：电阻率在10Ω·cm以上的物质称为(如塑料、陶瓷、橡皮、石英玻璃等)； 半导体：电阻率介于导体和绝缘体之间的物质。

　　它们三者之间虽然在电阻率的区分上无绝对明确的界限，但在性质上却有极大的差别。由于半导体具有许多特殊的性质，因而在电子工业与光电工业等方面占有极其重要的地位。

（一）半导体的特性

　　1、电阻温度系数一般都是负的，对温度的变化十分敏感；

　　衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1°C时电阻值发生变化的百分数。如果设任一电阻元件在温度t1时的电阻值为R1，当温度升高到t2时电阻值为R2，则该电阻在t1 ~ t2温度范围内的(平均)温度系数为a，如果R2 > R1，则 a > 0，将R称为正温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而增大；如果R2 < R1，则 a < 0，将R称为负温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。显然 a 的绝对值越大，表明电阻受温度的影响也越大。

　　大多数半导体都具有负的温度系数，温度低时，半导体中的载流子（电子和空穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

　　也有一些不是用半导体制成的特殊的光电器件具有负温度系数。如，NTC热敏电阻器。

　　NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。

　　所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。

　　这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因此，也具有负温度系数。

　　NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10Ω~Ω，温度系数-2%~-%。

　　NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

　　2、导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化；

-6-1-1如纯硅在室温下的电导率为5×10Ω·cm，当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时；其纯度虽仍高达99．9999％，但电导率却上升至2Ω·cm，几乎增加了一百万倍！此外，随着所掺入的杂质的种类不同，可以得到相反导电类型的半导体。如在硅中掺入硼，可得到P型半导体；掺入锑可得到N型半导体。

　　3、导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界总有的影响而发生非常重要的变化。

　　例如沉积在绝缘基板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十千欧，甚至更小。

　　常见的半导体材料有硅、锗、硒等元素半导体，砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(Ga1-xAlxAs)、锑化姻(InSb)、硫化镉(CdS)和硫化铅(PbS)等化合物半导体，还有如氧化亚铜的氧化物半导体，如砷化镓—磷化镓固熔体半导体，以及有机半导体、玻璃半导体、稀土半导体等等。利用半导体的特殊性质，制成了热敏器件、光电器件、场效应器件、体效应器件、霍耳器件、红外接收器件、电荷稠合器件、摄象管及各种二极管、三极管、集成电路等半导体器件。下面将重点介绍有关光电器件。

　　为了解释固体材料的不同导电特性，人们从电子能级的概念出发引入了能带理论。它是半导体物理的理论基础，应用能带理论可以解释发生在半导体中的各种物理现象和各种半导体器件的工作原理。

　　1二、能带理论

　　1、原子中电子的能级

　　大家知道，原子是由一个带正电的原子核与一些带负电的电子所组成。这些电子环绕着原子核在各自的轨道上不停地运动着。根据量子论，电子运动有下面三个重要特点：

(1)电子绕核运动，具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态称为量子态。每一量子态所取的确定能量称为能级。图2-7是硅原子中电子绕核运动的轨道及与其相应的能级示意图。原子中14个电子分别有14种不同的量子态，分布在离原子核远近不同的三层轨道上。最里层的量子态，电子距原子核最近，受原子核束缚最强，能量最低。越外层的量子态，电子受原子核束缚越弱，能量越高。电子可以吸收能量从低能级跃迁到高能级上去。电子也可以在一定条件下放出能量重新落回到低能级上来。但不可能有介于各能级之间的量子态存在。

　　量子态是由一组量子数表征，这组量子数的数目等于粒子的自由度数。

(2)由于微观粒子具有粒子与波动的两重性，因此，严格说原子中的电子没有完全确定的轨道。但为方便起见，我们仍用“轨道”这个词，这里的“轨道”所代表的是电子出现几率最大的一部分区域。

(3)在一个原子或原子组成的系统中，不能有两个电子同属于一个量子态，即在每一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子，这就是泡利不相容原理。此外，电子首先填满最低能级，而后依次向上填，直到所有电子填完为止。

　　2、晶体中电子的能带

　　晶体：原子、离子或分子按照一定的周期性在空间排列形成在结晶过程中形成具有一定规则的几何外形的固体。

　　晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来的一样。其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排列则是杂乱无章的。准晶体是最近发现的一类新物质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。

　　晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。具有整齐规则的几何外形、固定熔点和各向异性的固态物质，是物质存在的一种基本形式。固态物质是否为晶体，一般可由X射线衍射法予以鉴定。

　　晶体内部结构中的质点(原子、离子、分子)有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体。组成某种几何多面体的平面称为晶面，由于生长的条件不同，晶体在外形上可能有些歪斜，但同种晶体晶面间夹角(晶面角)是一定的，称为晶面角不变原理。

　　吃的盐是氯化钠的结晶，味精是谷氨酸钠的结晶，冬天窗户玻璃上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶。可以这样说：“熠熠闪光的不一定是晶体，朴实无华、不能闪光的未必就不是晶体”。厨房中常见的砂糖、碱是晶体，每个人身上的牙齿、骨骼是晶体，工业中的矿物岩石是晶体，日常见到的各种金属及合金制品也属晶体，就连地上的泥土砂石都是晶体。我们身边的固体物质中，除了常被我们误以为是晶体的玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，几乎都是非晶体。晶体离我们并不遥远，它就在日常生活中。

　　晶体的一些性质取决于将分子联结成固体的结合力。这些力通常涉及原子或分子的最外层的电子（或称价电子）的相互作用。如果结合力强，晶体有较高的熔点。如果它们稍弱一些，晶体将有较低的熔点，也可能较易弯曲和变形。如果它们很弱，晶体只能在很低温度下形成，此时分子可利用的能量不多。

　　当原子结合成晶体时，因为原子之间的距离很近，不同原子之间的电子轨道(量子态)将发生不同程度的交迭。晶体中两个相邻原子的最外层电子的轨道重迭最多。这些轨道的交迭，使电子可以从一个原子转移到另一个原子上去。结果，原来隶属于某一原子的电子，不再是此原子私有的了，而是可以在整个晶体中运动，成为整个晶体所共有，这种现象称作电子的共有化。晶体中原子内层和外层电子的轨道交迭程度很不相同。越外层电子的交迭程度越大，且原子核对它的束缚越小。因此，只有最外层电子的共有化特征才是显著的。

　　晶体中电子虽然可以从一个原子转移到另一个原子，但它只能在能量相同的量子态之间发生转移。所以，共有化的量子态与原子的能级之间存在着直接的对应关系。由于电子的这种共有化，整个晶体成了统一的整体。因此，如图2-8，N个原子排列起来结合成晶体，原来分属于N个单个原子的相同能级必须对应分裂的N个能量稍有差别的能级。这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域。

　　我们将这能量区域中密集的能级形象地称为能带。由于能带中能级之间的能量差很小，所以通常可以把能带内的能级看成是连续的。在一般的原子中，内层电子的能级都是被电子填满的。当原子组成晶体后，与这些内层的能级相对应的能带也是被电子所填满的。在理想的绝对零度下，硅、锗、金刚石等共价键结合的晶体中，从其最内层的电子直到最外边的价电子都正好填满相应的能带。能量最高的是价电子填满的能带，称为价带。价带以上的能带基本上是空的，其中最低的带常称为导带。价带与导带之间的区域称为禁带。图2-9所示为绝缘体、半导体、导体的能带情况。一般，绝缘体的禁带比较宽，价带被电子填满，而导带一般是空的。半导体的能带与绝缘体相似，在理想的绝对零度下，也有被电子填满的价带和全空的导带，但其禁带比较窄。正因为如此，在一定的条件下，价带的电子容易被激发到导带中去。半导体的许多重要特性就是由此引起的。而导体的能带情况有两种：一是它的价带没有被电子填满，即最高能量的电子只能填充价带的下半部分，而上半部分空着；二是它的价带与导带相重迭。

　　上面关于能带形成的通俗论证是十分粗糙而不严格的。能带和原子能级之间的对应关系，并不象图2-8那样单纯，也并不永远都是一个原子能级对应于一个能带。并且，能带图并不实际存在，而只是用来着重说明电子的能量分布情况。关于这方面的较严格的论证，可参考有关资料。

　　3．半导体的导电机构

　　当在一块半导体的两端加上电压后，则价电子在无规则的热运动基础上迭加了由电场引起的定向运动，形成了电流，并且它的运动状态也发生了变化，因而其运动能量必然与原来热运动时有所不同。在晶体中，根据泡利不相容原理，每个能级上最多能容纳两个电子。因此，要改变晶体中电子的运动状态，以便改变电子的运动能量，使它跃迁到新的能级中去，一般需要满足两个条件：一是具有能向电子提供能量的外界作用；二是电子要跃入的那个能级是空的。

　　由于导带中存在大量的空能级，当有电场作用时，导带电子能够得到能量而跃迁到空的能级中去，即导带电子能够改变运动状态。这也就是说，在电场的作用下，导带电子能够产生定向运动而形成电流。所以导带电子是可以导电的。

　　如果价带中填满了电子而没有空能级，在外加电场的作用下，电子又没有足够能量激发到导带，那么，电子运动状态也无法改变，因而不能形成定向运动，也就没有电流。因此，填满电子的价带中的电子是不能导电的。如果价带中的一些电子在外界作用下跃迁到导带，那么在价带中就留下了缺乏电子的空位。可以设想，在外加电场作用下，邻近能级的电子可以跃入这些空位，而在这些电子原来的能级上又出现了新的空位。以后，其它电子又可以再跃入这些新的空位，这就好象空位在价带中移动一样，只不过其移动方向与电子相反罢了。因此，对于有电子空位的价带，其电子运动状态就不再是不可改变的了。在外加电场的作用下，有些电子在原来热运动上迭加了定向运动，从而形成了电流。

　　导带和价带电子的导电情况是有区别的，即：导带的电子愈多，其导电能力愈强；而价带的电子的空位愈多，即电子愈少，其导电能力就愈强。为了处理方便，我们把价带的电子空位想象为带正电的粒子。显然，它所带的电量与电子相等，符号相反。在电场作用下，它可以自由地在晶体中运动，象导带中的电子一样能够起导电作用，这种价带中的电子空位，我们通常称之为空穴。由于电子和空穴都能导电，一般把它们统称为载流子。

　　4、本征半导体导电特性

　　完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。它的能带图如图2—10所示。其中图(a)是假设在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界作用的本征半导体能带图。此时，导带没有电子，价带也没有空穴。因此，这时的本征半导体和绝缘体一样，不能导电。但是，由于半导体的禁带宽度Eg较小，因而在热运动或其它外界因素的作用下，价带的电子可激发跃迁到导带，如图2-10(b)所示。这时，导带有了电子，价带也有了空穴，本征半导体就有能力导电了。电子由价带直接激发跃迁到导带称为本征激发。对于本征半导体来说，其载流子只能依靠本征激发产生。因此，导带的电子和价带的空穴是相等的。这就是本征半导体的导电机构的特性。本征激发（热激发）：共价键中的价电子因受热作用而成为自由电子的过程。

　　本征激发使半导体内不断产生电子和空穴，同时它们又不断地进行着复合。产生和复合这对矛盾的对立统一，使半导体在一定温度下达到载流子数目的动态平衡。从而维持了一定数量的自由电子和空穴这种状态称为热平衡。

　　必须指出，常温下本征半导体中的电子、空穴是很少的，因而本征半导体的导电能力是很差的，所以它不能直接用来制造晶体管。

　　5、杂质半导体

　　在本征半导体中掺入一定数量的杂质就会使半导体的导电性能发生显著的变化，使它具有制造晶体管时所需要的特性，并且因掺入杂质元素的不同，可形成电子型半导体(N型半导体)和空穴型半导体(P型半导体)两大类（均成电中性）。

①P型半导体

　　如果在纯净的硅(或锗)中掺入少量的三价元素硼(或铝等)，就能得P型半导体，当硼(B)原子占据硅原子的位置并和四个相邻的硅原子共价结合时，由于硼只有三个价电子，要从附近硅原子中拿一个价电子来填补，这祥就在这个硅原子中产生了一个空穴，掺入的每一个硼原子都产生一个空穴，所以掺杂的半导体中空穴的数目就大大增加．

　　由于这些杂质原子必须接受一个电子才能与相邻的四个原子组成共价键，所以三价元素的硼叫做受主杂质，接受一个电子的杂质原子叫做受主离子。这种半导体主要是靠空穴导电的，所以也叫空穴型半导体。

②N型半导体

　　在纯净的硅(或锗)中掺入少量的五价元素杂质后，如磷(P)、砷(As)等，就能得到N型半导体。如在硅中掺入少量的磷(P)，则磷原子跑到硅里面去，它要占据原来硅原子的位置。磷原子拿出五个价电子中的四个与相邻硅原子组成共价键还多余一个价电子没有参加共价键，该价电子只受到磷原子核的吸引，在常温下很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。

　　如图所示。可见，掺入多少个磷原子就能产生多少个自由电子，杂质浓度越大，半导体中自由电子数就越多。(三)PN结与载流子的运动

　　1、PN结

　　PN结就是P型半导体和N型半导体交界的地方，这个交界处虽然很薄，但有许多特殊的电性能，它是晶体管、场效应管、晶闸管等半导体器件的核心部分。因此，它是整个半导体器件最重要的概念之一。

　　在一块半导体晶体的不同部位掺入不同的杂质，使得这块晶体的一部分呈P型半导体，另一部分呈N型半导体，则在P型和N型的交界处就形成了PN结。

　　2、载流子的运动（扩散和漂移）

　　当P型半导体和N型半导体结合在一起时，在它们交界的地方就要发生电子和空穴的扩散运动。因P区有大量的空穴(电子很少)，N区有大量的电子(空穴很少)这样，在P型和N型半导体的交界处就出现了浓度差，电子和空穴都要向浓度小的地方运动。形成空间电荷区，即如下图所示的内建电场： 内建电场阻碍空穴和电子的继续扩散，对空穴来说，电场力要把空穴推到P区，对电子来说，电场力要把电子拉到N区，电场力对载流子的这种作用叫做漂移作用．

　　由此可见，漂移作用和扩散作用二者是一对矛盾，有扩散运动就会产生内建电场，引起漂移运动，而漂移运动又削弱了扩散运动。当二者的作用相等时，就达到了动态平衡，这时空间电荷区的宽度和空间电荷数目就不再增加，内建电场也不再增强，PN结处于动态平衡状态，形成PN结。

　　由于空间电荷区存在着电场，所以在空间电荷区的两边就有电位差，这个电位差叫做接触电位差，通常也称为内建电势。一般硅PN结的接触电位差为，锗PN结的接触电位差为．

　　3、PN结的单向导电特性

　　如果在PN结上加一电压，当P区接正而N区接负时就有一定的电流通过，并且随外加电压的升高电流迅速增大；当P区接负而N区接正时，电流就很微小并且电流数值与外加电压关系不大。这就是PN结的单向导电特性。

　　P区接正N区接负，叫正向运用，这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压；P区接负N区接正，叫反向运用，这时的外加电压称反向电压或反向偏置电压。

①PN结加正向电压

　　由于阻挡层的电阻远大于P区和N区的体电阻，所以整个外加电压基本上全部加在阻挡层上．此时，外加电压产生的电场与内建电场方向相反，从而使PN结中总的电场减弱，这样PN结的平衡状态被破坏，P区中的空穴就不断地穿过空间电荷区向N区移动，而N区的电子也不断地穿过空间电荷区向P区移动。

　　虽然电子和空穴的运动方向相反，但它们所形成的电流却是相加的，即正向电流等于电子电流与空穴电流之和，从而形成比较大的正向电流，如图所示。

　　当P区空穴向N区移动，N区电子向P区移动时，它们首先就要和PN结中原来的一部分正负离子中和，结果使PN结变窄，其接触电位差比原来平衡时的数值减少了。当正向电压升高时，PN结中的电场就减弱得更多，P区移向N区的空穴就愈多，N区移向P区的电子也增多，因此正向电流随正向电压的增加而迅速上升。PN结表现为一个很小的电阻。

②PN结加反向电压

　　N区接电源的正极，P区接电源的负极，这是PN结反向运用的情况。此时，外加电压产生的电场方向与内建电场的方向一致，PN结中总的电场加强了。在外加电场的作用下，阻挡层左边P区的空穴和阻挡层右边N区的电子都将进一步离开PN结，于是阻挡层(空间电荷区)加宽了，阻挡层两端的电位差也增加了．因此，P区和N区的多数载流子穿过阻挡层的扩散运动受阻，由多数载流子形成的电流等于零。

　　实际上，PN结在反向工作时还有一定的微小电流，这是由P区少数载流子(电子)和N区少数载流子(空穴)在电场力的作用下形成的．称为PN结的反向电流，它的大小与外加电压基本无关，但它随温度而变化．由于反向电流一般很小(因P区的电子和N区的空穴很少)，PN结表现为一个很大的电阻，所以仍认为PN结外加反向电压时基本上不导电．

　　综上所述，PN结加正向电压时，PN结电阻很小，电流畅通；PN结加反向电压时，PN结电阻很大，反向电流很小，接近于零，PN结不导通。所以，PN结具有单向导电特性．

　　必须指出，由于热运动产生的少数载流于所形成的反向电流，当温度升高时，因热激发增强而会使反向电流急剧增加，这是造成PN结工作不稳定的原因，在实际应用中必须注意这个问题．

　　当加到PN结上的反向电压超过一定数值时，反向电流就有明显的增加，甚至突然猛增，这种现象叫PN结的击穿。PN结击穿后，其单向导电特性遭到了破坏，同时可能因反向电流过大而使PN结烧坏。

　　击穿并不一定是坏事。在电子线路中常用的硅稳压管就利用了击穿现象。因为它击穿以后，通过PN结的电流可以有相当大的变化而其两端电压却变化很小，所以起到了稳压作用。另外，PN结击穿了并不等于就坏了，只要在线路中接一个保护电阻，使反向电流不超过PN结所容许的最大电流，则反向电压减小后PN结是可以恢复的。

(四)半导体异质结

　　由于半导体外延技术的发展，从60年代开始，可以将禁带宽度不同的两种半导体材料，生长在同一块晶体上，且可以按人们的意志做成突变的或缓变的结，这种由两种不同质的半导体材料接触而组成的结称为半导体异质结

　　按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结（P-p结或N-n结）和异型异质(P-n或p-N)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。异质结常具有两种半导体各自的PN结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。

　　所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序沉积在同一基座上。例如图2所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。

(1)量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃＝10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。

(2)迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。

(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应[1]等。科学家利用低维度的特性，已经已作出各式各样的组件，其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件，而量子与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。

　　异质结

(4)人造材料工程学：半导体异质结构之中间层或是两旁的夹层，可因需要不同而改变。例如以砷化镓来说，镓可以被铝或铟取代，而砷可以用磷、锑、或氮取代，所设计出来的材料特性因而变化多端，因此有人造材料工程学的名词出现。最近科学家将锰原子取代镓，而发现具有铁磁性的现象，引起很大的重视，因为日后的半导体组件，有可能因此而利用电子自旋的特性。此外，在半导体异质结构中，如果邻近两层的原子间距不相同，原子的排列会被迫与下层相同，那么原子间就会有应力存在，该应力会改变电子的能带结构与行为。现在该应力的大小已可由长晶技术控制，因此科学家又多了一个可调变半导体材料的因素，产生更多新颖的组件，例如硅锗异质结构高速晶体管。

　　五、半导体对光的吸收

　　物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。那些被物体所吸收的光，将改变物体的一些性能。

　　1、本征吸收

　　半导体材料吸收光的原因，在于光与处在各种状态的电子、晶格原子和杂质原子的相互作用。其中最主要的光吸收是由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的，这种吸收就称为本征吸收。

　　2、杂质吸收

　　处于杂质能级中的电子与空穴，也可以引起光的吸收。N型半导体未电离的杂质原子，吸收光子能量hν 大于电离能ΔED，则杂质原子的外层电子将从价带跃入导带，成为自由电子；P型半导体吸收光子能量hν大于ΔEA，则价电子产生电离，成为空穴，即称杂质吸收。

　　不同的电离能有不同的长波限，掺杂的杂质不同，吸收就可以在很宽的波段内产生。

　　3、激子吸收

　　在某些情况下，电子在价带中空穴库仑场的束缚下运动．形成可动的电子—空穴对，称为激子。

　　激子的能量小于自由电子的能量，因此能级处在禁带中。激于子作为一个整体可以在晶格内自由运动，然而它是电中性的，不能产生电流。

　　4、自由载流子吸收

　　在半导体材料的红外吸收光谱中发现，在本征吸收限长波测还存在着强度随波长而增加的吸收。这种吸收是由于自由载流子在同一能带内不同能级之间的跃迁而引起的，因此称为自由载流子吸收。

　　当半导体处于足够低的温度中时，电子与晶格的联系显得非常微弱．此时吸收的辐射，使载流子在带内的能量分布发生显著变化。这种现象虽不引起载流子浓度的变化，但由于电子的迁移率依赖于能量，所以上述过程导致迁移率改变．从而使这种吸收引起电导率的改变。

　　5、晶格吸收

　　在这种吸收过程中，光子直接转变成晶格原子的振动。宏观上表现为温度升高，引起物质的热敏效应。

　　以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收能产生光电效应。

* 重点：

　　半导体特性、载流子的运动、PN结以及三种光电效应。* 难点：

　　能带理论、PN结的三种接触方式。

* 引导学生解决重点难点的方法、例题： 通过结合现实生活，加强学生对知识的理解。

? 本授课单元教学手段与方法：

　　本堂课是理论课，采用PPT课件讲授以及结合现实生活。? 本授课单元思考题、讨论题、作业：

　　1、详细讨论光电发射过程；

　　2、PN结的不断发展主要解决哪些问题？

? 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出）

[1] 吴杰编著，《光电信号检测》，哈尔滨工业出版社，1990 [2] 高稚允等编著，《光电检测技术》，国防工业出版社，1995

高一物理半导体教案3

半导体及其应用

　　一、教学目标 1．知道什么是半导体 2．了解半导体的导电特性 3．了解半导体的应用

　　二、教学重点 了解半导体的导电特性

　　三、教学方法 实验演示

　　四、教具

　　演示用欧姆表，热敏电阻，光敏电阻，火柴，手电筒等

　　五、课时安排 课时

　　六、教学过程

（一）引入新课

　　用提问的方式复习上节课学习的知识：

　　1．什么是导体？其电阻与哪些因素有关？写出电阻定律的表达式。2．导体的电阻率跟什么有关？导体的电阻率和导体的电阻有何区别？ 待学生回答后，教师：本节课学习有关半导体的知识。

（二）进行新课 1．什么是半导体

　　金属导体的电阻率一般约为10-8Ω·ｍ~10-6Ω·ｍ 绝缘体的电阻率一般约为108Ω·ｍ~1018Ω·ｍ 半导体的电阻率一般约为10-5Ω·ｍ~106Ω·ｍ 2．半导体的导电性能 【演示】（1）将半导体热敏电阻（或锗材料三极管3AX系列，e—c极反接）与演示用欧姆表串联，此时表盘指示电阻较大。将火柴燃烧并靠进热敏电阻时，欧姆表显示其阻值急剧减小。

【结论】①半导体材料的电阻率随温度升高而减小，称为半导体的热敏特性。【演示】（2）将半导体光敏电阻（或玻璃壳3AX81三极管外壳漆皮刮掉，使用e—c极）与演示用欧姆表串联，此时表盘指示电阻较大。用手电筒照射光敏电阻时，欧姆表显示其阻值急剧减小。

【结论】②半导体材料的电阻率随光照而减小，称为半导体的光敏特性。

【演示】（2）将半导体光敏电阻（或玻璃壳3AX81三极管外壳漆皮刮掉，使用e—c极）与演示用欧姆表串联，此时表盘指示电阻较大。用手电筒照射光敏电阻时，欧姆表显示其阻值急剧减小。

　　半导体还有一个重要特性：

③半导体材料中掺入微量杂质也会使它的电阻率产生急剧变化，称为半导体的掺杂特性。

　　3．半导体导电特性的应用及发展

　　1906年真空三极管的发明，为上个世纪上半叶无线电和电话的发展奠定了基础。1947年，美国贝尔研究所的巴丁、肖克莱、布拉坦研制出第一个晶体三极管。它的出现成为上世纪下半叶世界科技发展的基础。其功耗极低，而且可靠性高，转换速度快，功能多样，尺寸又小，因而成为当时出现的数字计算机的理想器件，并很快在无线电技术和军事上获得广泛的应用。由于研制成晶体管，他们三人获得1956年诺贝尔物理学奖。

　　半导体材料在目前的电子工业和微电子工业中主要用来制作晶体管、集成电路、固态激光器等器件。我们现在常见的晶体管有两种，即双极型晶体管和场效应晶体管，他们都是计算机的关键器件。前者是计算机中央处理器装置（即对数据进行操作部分）的基本单元，后者是计算机存储器的基本单元。两种晶体管的性能在很大程度上均依赖于原始硅晶体的质量。

　　砷化镓单晶材料是继锗、硅之后发展起来的新一代半导体材料。它具有迁移率高、禁带宽度大等特点，在工作速度、频率、光电性能和工作环境许多方面有着不可比拟的优势。它是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料，主要应用于光电子和微电子领域。

　　电子技术最初的应用领域主要是无线电通信、广播、电视的发射和接收。雷达作为一种探测敌方飞行器的装置在第二次世界大战中大显身手。成为现代电子技术的一个重要应用领域。电子显微镜、各种波谱和表面能谱仪以及加速器、遥测、遥控和遥感、医学也是电子技术应用的一个重要领域。微电子技术和量子电子学也是现代电子技术中最活跃的前沿领域之一。

（三）布置作业 1．复习本节课文。

　　2．课下搜集有关半导体以及现代科学技术应用的资料。

（四）教学设计说明：

　　1．本节课的演示实验能够使学生实际体会到半导体的导电特性，并且与金属的导电性能加以区别，所以要充分做好实验准备。

　　2．介绍半导体技术的发展简史时，应尽量结合实际生活中学生比较了解的应用。例如，在计算机技术日益普及的今天，可以通过介绍计算机的只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），让学生了解半导体材料和技术的应用。