半導體中的電子狀態(tài)教案

1、半導體物理知識補充教案（1）半導體中的電子狀態(tài)本節(jié)內容：1 .原子中的電子狀態(tài)1）玻耳的氫原子理論2）玻耳氫原子理論的意義3）氫原子能級公式及玻耳氫原子軌道半徑4）索末菲對玻耳理論的發(fā)展5）量子力學對半經(jīng)典理論的修正6）原子能級的簡并度2.晶體中的電子狀態(tài)1）電子共有化運動2）電子共有化運動使能級分裂為能帶3）半導體硅、錯晶體的能帶4）硅、錯原子的電子結構5）硅、錯晶體能帶的形成3.半導體（硅、錯）的能帶特點課程重點：界堤“h.氫原子能級公式%=喝/熊氫原子第一玻耳軌道半徑口=附的, 這兩個公式還可用于類氫原子。.量子力學認為微觀粒子（如電子）的運動須用波函數(shù)來描述，經(jīng)典意義上 的軌道實質上是

2、電子出現(xiàn)幾率最大的地方。電子的狀態(tài)可用四個量子數(shù)表示04.半導體（硅、鍺）能帶的特點：1 ）存在軌道雜化，失去能級與能帶的對應關系。雜化后能帶重新分開為上能帶和下能帶，上能帶稱為導帶，下能帶稱為價帶2）低溫下，價帶填滿電子，導帶全空，高溫下價帶中的一部分電子躍遷到導帶，使晶體呈現(xiàn)弱導電性。3）導帶與價帶間的能隙（ Energy gap ）稱為禁帶（ forbidden band ） .禁 帶寬度取決于晶體種類、晶體結構及溫度。4）當原子數(shù)很大時，導帶、價帶內能級密度很大，可以認為能級準連續(xù)課程難點：原子能級的簡并度為 （2l 1） ， 若記入自旋， 簡并度為 2（2l1 ） ； 注意一點，原子

3、是不能簡并的?；靖拍睿弘娮庸灿谢\動：原子組成晶體后，由于原子殼層的交疊，電子不再局限在某一個原子上， 可以由一個原子轉移到另一個原子上去， 因而， 電子將可以在整個晶體中運動， 這種運動稱為電子的共有化運動。 但須注意， 因為各原子中相似殼層上的電子才有相同的能量，電子只能在相似殼層中轉移。基本要求：掌握氫原子能級公式和氫原子軌道半徑公式；掌握能帶形成的原因及電子共有化運動的特點；掌握硅、鍺能帶的特點。2）電子在周期場中的運動能帶論本節(jié)內容：課程重點：.熟悉晶體中電子的運動與孤立原子的電子和自由電子的運動有何不同： 孤立原子中的電子是在該原子的核和其它電子的勢場中運動， 自由電子是在恒定為

4、零的勢場中運動， 而晶體中的電子是在嚴格周期性重復排列的原子間運動， 單電子近似認為， 晶體中的某一個電子是在周期性排列且固定不動的原子核的勢場以及其它大量電子的平均勢場中運動， 這個勢場也是周期性變化的， 而且它的周期與晶格周期相同。.自由電子的運動狀態(tài)：對于波矢為 k的運動狀態(tài)，自由電子的能量 E,動量 p ，速度 v 均有確定的數(shù)值。因此，波矢 k 可用以描述自由電子的運動狀態(tài)，不同的 k 值標志自由電子的不同狀態(tài)，自由電子的 E 和 k 的關系曲線，呈拋物線形狀。 由于波矢 k 的連續(xù)變化， 自由電子的能量是連續(xù)能譜， 從零到無限大的所有能量值都是允許的。.晶體中的電子運動服從布洛赫定

5、理： 晶體中的電子是以調幅平面波在晶體中傳播。這個波函數(shù)稱為布洛赫波函數(shù)。.求解薛定諤方程，得到電子在周期場中運動時其能量不連續(xù)，形成一系列允帶和禁帶。一個允帶對應的 K 值范圍稱為布里淵區(qū)。.用能帶理論解釋導帶、半導體、絕緣體的導電性。課程難點：.布洛赫波函數(shù)的意義： 晶體中的電子在周期性勢場中運動的波函數(shù)與自由電子的波函數(shù)形式相似， 代表一個波長為 1/k 而在 k 方向上傳播的平面波，不過這個波的振幅 4（x）隨x作周期性的變化，其變化周期與品格周期相同。所以常說晶體中的電子是以一個被調幅的平面波在晶體中傳播。顯然，若令 網(wǎng)（x） 為常數(shù)，則在周期性勢場中運動的電子的波函數(shù)就完全變?yōu)樽杂?/p>

6、電子的波函數(shù) 了。其次，根據(jù)波函數(shù)的意義，在空間某一點找到電子的幾率與波函數(shù)在該點的 強度（即|#=券）成比例。對于自由電子，|券” |二A，即在空間各點波函數(shù)的 強度相等，故在空間各點找到電子的幾率相同，這反映了電子在空間中的自由運 動，而對于晶體中的電子， 附.|二|4（x）瓦（x） |,但 （x）是與品格同周 期的函數(shù)，在晶體中波函數(shù)的強度也隨品格周期性變化， 所以在晶體中各點找到 該電子的幾率也具周期性變化的性質。這反映了電子不再完全局限在某一個原子 上，而是可以從晶胞中某一點自由地運動到其它晶胞內的對應點，因而電子可以在整個晶體中運動，這種運動成為電子在晶體內的共有化運動。 組成晶體

7、的原子 的外層電子共有化運動較強，其行為與自由電子相似，常稱為準自由電子。而內 層電子的共有化運動較弱，其行為與孤立原子中的電子相似。 最后，布洛赫波函 數(shù)中的波矢k與自由電子波函數(shù)的一樣，它描述晶體中電子的共有化運動狀態(tài)， 不同的k的標志著不同的共有化運動狀態(tài)。.金剛石結構的第一布里淵區(qū)是一個十四面體，（見講義圖1 11 ）,要注意圖中特殊點的位置。基本概念及術語：.能帶產(chǎn)生的原因：定性理論（物理概念）：晶體中原子之間的相互作用，使能級分裂形成能帶。 定量理論（量子力學計算）：電子在周期場中運動，具能量不連續(xù)形成能帶。 能帶（energy band ）包括允帶和禁帶。允帶( allowed

8、band ) ：允許電子能量存在的能量范圍。禁帶( forbidden band ) ：不允許電子存在的能量范圍。允帶又分為空帶、滿帶、導帶、價帶?？諑?empty band ) ：不被電子占據(jù)的允帶。滿帶(filled band ) ：允帶中的能量狀態(tài)(能級)均被電子占據(jù)。導帶( conduction band ) ：電子未占滿的允帶(有部分電子。 )價帶(valence band ) :被價電子占據(jù)的允帶(低溫下通常被價電子占滿)。.用能帶理論解釋導體、半導體、絕緣體的導電性：固體按其導電性分為導體、 半導體、 絕緣體， 其機理可以根據(jù)電子填充能帶的情況來說明。固體能夠導電， 是固體中的電

9、子在外場的作用下定向運動的結果。 由于電場力對電子的加速作用， 使電子的運動速度和能量都發(fā)生了變化。 換言之， 即電子與外電場間發(fā)生能量交換。 從能帶論來看， 電子的能量變化， 就是電子從一個能級躍遷到另一個能級上去。 對于滿帶， 其中的能級已被電子所占滿， 在外電場作用下， 滿帶中的電子并不形成電流， 對導電沒有貢獻， 通常原子中的內層電子都是占據(jù)滿帶中的能級， 因而內層電子對導電沒有貢獻。 對于被電子部分占滿的能帶， 在外電場作用下， 電子可從外電場中吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的的能級去，起導電作用，常稱這種能帶為導帶。金屬中，由于組成金屬的原子中的價電子占據(jù)的能帶是部分占滿的，所以金屬是

10、良好的導電體。半導體和絕緣體的能帶類似， 即下面是已被價電子占滿的滿帶 (其下面還有為內層電子占滿的若干滿帶) ，亦稱價帶，中間為禁帶，上面是空帶。因此，在外電場作用下并不導電， 但是這只是絕對溫度為零時的情況。 當外界條件發(fā)生變化時， 例如溫度升高或有光照時， 滿帶中有少量電子可能被激發(fā)到上面的看到中去， 使能帶底部附近有了少量電子， 因而在外電場作用下， 這些電子將參與導電；同時，滿帶中由于少了一些電子，在滿帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)， 滿帶變成了部分占滿的能帶， 在外電場作用下， 仍留在滿帶中的電子也能夠起導電作用，滿帶電子的這種導電作用等效于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的準粒子

11、的導電作用， 常稱這些空的量子狀態(tài)為空穴。 所以在半導體中導帶的電子和價帶的空穴參與導電， 這是與金屬導體的最大差別。 絕緣體的禁帶寬度很大， 激發(fā)電子需要很大的能量， 在通常溫度下， 能激發(fā)到導帶中的電子很少， 所以導電性很差。 半導體禁帶寬度比較小， 數(shù)量級在 1eV 左右， 在通常溫度下已有不少電子被激發(fā)到導帶中去， 所以具有一定的導電能力， 這是絕緣體和半導體的主要區(qū)別。室溫下，金剛石的禁帶寬度為67eV,它是絕緣體；硅為1.12eV ,錯為0.67eV ,砷化鎵為 1.43eV ，所以它們都是半導體。共價鍵理論能夠比較簡單、直觀、較好地解釋晶體的某些性質。1 ）共價鍵理論主要有三點：

12、晶體的化學鍵是共價鍵，如 Si, Ge。共價鍵上的電子處于束縛態(tài)，不能參與導電。處于束縛態(tài)的價電子從外界得到能量， 有可能掙脫束縛成為自由電子， 參與導電。2）共價鍵理論應用解釋半導體摻雜的敏感性解釋半導體的熱敏性，光敏性等。3）兩者理論的比較（能帶理論與共價鍵理論的對應關系） 4.本征激發(fā)：共價鍵上的電子激發(fā)成為準自由電子，亦即價帶電子吸收能量被激發(fā)到導帶 成為導帶電子的過程，稱為本征激發(fā)。這一概念今后經(jīng)常用到。半導體二極管授課名稱電子基礎授課類型講授授課時數(shù)1課題半導體二極管學情分析認知特征：中專生的學習方法由模仿轉向領會，思維方式由形象轉向抽象。學習狀態(tài)：中專面臨著基礎知識薄弱、自信不足

13、、學習能力不強等學習困境，電子 課程入門難，而且枯燥之味。但是如果能引發(fā)學生興趣，老師在平時的課上以下注意 引導和鼓勵，學生f 能學好電子基礎。知識儲備：之前學生已初步掌握了基本的電學知識， 為本節(jié)的學習作好了知識儲備。教學目標1、認識半導體2、了解PN結的原理及結構3、掌握二極管伏安特性4、掌握用萬用表判別二極管好壞的方法 5、掌握二極管基本分析方法教學重點二極管伏安特性教學難點二極管伏安特性學法分析1、由于電子課程入門難，這節(jié)課作為入門課，在緒論中給出整個課程的大框架，使學 生對于課程的認識更加清晰2、老師在講解伏安特性后，再講解二極管的判別，讓學生參與進來，使學生對單向導 電性認識更清晰

14、教學方法內容和過程教學準備1、萬用表2、不同規(guī)格、類型的半導體二極管若干保證課堂教學 順利實施。緒論和導 入（5分 鐘）從生活中的實例說明電子重要性，電腦、手機、白板、飲水機， 本課會帶領我們從物理走入電子世界。展現(xiàn)課程框架，認識本節(jié)在 課程中的地位，從自然界由象到應用層面，理順知識架構， 突出本課程特點，跨度大（知識點多，抽象），突出入門難的特點， 鼓勵學生學好前幾章，打好基礎，后面的學習越來越容易。從集總 電路層向引出半導體器件。講解，應用日常 生活中的例子， 引起學生興趣新課講授一、半導體部分（8分鐘）半導體是個熟悉的名詞，但是什么是半導體呢？自然界的物質按導電能力的強弱可分為如下幾類：

15、一類是導電能力特別強的物質叫導體（如銀、銅、鋁等）,導體的電阻率通常在10 810 5 m0另一類是導電能力非常差，幾乎可以看成不能導電的物質，叫絕 緣體（如塑料、橡膠、陶瓷等），絕緣體的電阻率通常在108 1016 m0還后一類是半導體，其導電能力介于導體和絕緣體之間（如錯、硅、神化錢等）叫半導體，半導體的電阻率通常在 10 4 107 m。半導體除了在導電能力方面與導體和絕緣體/、同外，它還具有 /、同于其它物質的特點，例如，當半導體受到外界光和熱的照射時， 或摻入某些雜質時其導電能力將發(fā)生顯著的變化。這個特點說明， 半導體的導電機構必然/、同于其它物質。為了理解這個特點，我們 必須先從了

16、解半導體的結構入手，來了解半導體的基本知識。在電子學中，用得最多的半導體是硅和錯，硅和錯的外層電子 都是4個，都是四價元素。與相鄰四個原子分別用四個共價鍵相連， 形成原子有規(guī)律地整齊排列的結構，稱為晶體結構，這就是晶體管的來由。本來外層電子受共價鍵束縛，但是 少數(shù)電子獲得f的動 能才掙脫共價鍵的束縛成為自由電子。在電子掙脫共價鍵的束縛 成為自由電子后，共價鍵中就留下一個空位，這個空位叫做空穴。 于是半導體可以導電，但是在常溫下只有極少電子能稱為自由電子， 所以導電能力較弱。完全純凈的、結構完整的半導體晶體稱為本征 半導體。但是本征半導體易受溫度的影響，而且導電能力差，不能 直接使用在電子線路中

17、，必須利用摻雜特性制作雜質半導體。在硅（或錯）晶體中摻入微量的五價兀素 P,磷原子的5個價電 子中有4個電子和硅原子組成共價鍵，多出一個電子很容易脫離原 子核的束縛而成為自由電子，同時磷原子也就成為帶正電的離子。 這樣，由于磷元素的摻入，使硅晶體中自由電子的數(shù)目大大增加。 當然硅原子由于熱激發(fā)也產(chǎn)生少量的電子一空穴對。這種半導體的 導電主要是靠電子，所以稱它為電子半導體，簡稱 N型半導體。本講授，對于PN 結等微觀特性 略講，讓學生有 大概印象即可征半導體中空穴和自由電子成對出現(xiàn)，但是在雜質半導體中不同, 略講多子和少子概念。在硅（或錯）晶體中摻入微量的三價元素 B,硼原子有3個價電 子，它與

18、硅原子組成共價鍵時缺少一個價電子而形成一個空穴，空 穴的濃度比電子的濃度大得多。這種半導體的導電主要是靠空穴， 所以稱它為空穴半導體，簡稱 P型半導體。3.PN結原理當N型半導體和P型半導體用特殊工藝結合在一起時，由于 P 型半導體中空穴濃度高、電子濃度低，而 N型半導體中電子濃度高、 空穴濃度低，因此在交界面附近電子和空穴都要從濃度高的地方向 濃度低的地方擴散。P區(qū)的空穴要擴散到N區(qū)，且與N區(qū)的電子復合， 在P區(qū)一側就留下了不能移動的負離子空間電荷區(qū)。同樣，N區(qū)的電子要擴散到P區(qū)，且與P區(qū)的空穴復合，在N區(qū)一側就留下了不能 移動的正離子空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)形成了一個方向由 N區(qū)指向P 區(qū)的

19、內電場，內電場的作用是阻礙多數(shù)載流子的繼續(xù)擴散。這種動 態(tài)穩(wěn)定的結構稱之為PN結。當加入外電場時動態(tài)平衡被打破，略講 PN結單向導電性，即正偏（P接“ + ”，N接“一”）時，正向電流大； 反偏（P接“ N接“ + ”）時，反向電流小。二、 半導體二極管（20分鐘）學生各小 組之間討論.二極管概述本節(jié)的重難點 主要就在二極 管的外部特性。 通過二極管的 檢測加深理解 二極管單向導 電特性。通過知 識拓展了解二 極管的作用引 發(fā)興趣。重點練 習恒壓降模型 的分析方法。利用PN結的單向導電性，可以用來制造一種半導體器件 半 導體二極管。半導體二極管又稱晶體二極管。幾乎在所有的電子電 路中，都要用到

20、半導體二極管。結構半導體二極管的外形與符號半導體二極管是由一個 PN結加上電極引線和外殼封裝而成。 P區(qū)引出的 電極稱為陽極，或叫正極，用 A表示；N區(qū)引出的電極稱為陰極，或叫負極，用 K表不符號半導體二極管在電路中的符號如上圖所示，箭頭指向表示二極管 正向導通時電流的方向。分類按結構的不同來分，可分為點接觸型和面接觸型；若按應用場合的不同來分，可分為整流二極管、穩(wěn)壓二極管、檢波二極管、限幅二極管、開關二極管、發(fā)光二極管等；若按功率的不同可分為小功率、中功率和大功率；若按制作材料的不同，可分為錯二極管和硅二極管等 。為學生展示幾種常見二極管2.二極管伏安特性我們已經(jīng)知道了 PN結具有單向導電性

21、，但是二極管具體的外部 特性是怎樣的呢？下面給出二極管的伏安特性曲線。二極管的伏安正向特性當二極管所加的正向電壓（又稱正向偏置）較小時，正向電流 If 很小，二極管呈現(xiàn)較大的電阻，稱這個區(qū)域為死區(qū)。通常硅二極管的死區(qū)電壓UT （又叫門限電壓）約為 0.5V,錯二極管的死區(qū)電壓約 為 0.2V。當正向電壓超過死區(qū)電壓后，正向電流顯著增加，并且隨著正向 電壓加大，電流迅速增長，二極管的正向電阻變得很小，當二極管充分導通后，二極管的正向壓降基本維持不變，稱為正向導通壓降，硅二極管約為0.6V0.8V,錯二極管約0.2。這一區(qū)段，稱為 正向 導通區(qū)。反向特性當二極管加反向電壓（又稱反向偏置）時，形成的

22、電流稱反向漏 電流Ir,其值很小，這一區(qū)段，稱為反向截止區(qū)。正常情況下，硅 二極管的反向漏電流Ir一般在幾微安以下，錯二極管的Ir較大，一 般在幾十微安至幾百微安。我們可以視為無電流通過，即反向截止。 反向電流的大小與反相電壓無關，與溫度有關。當反向電壓增加到一定大小的 UBr時，反向電流突然急劇增加，這 種現(xiàn)象稱為二極管反向擊穿。使二極管發(fā)生反向擊穿時的反向電壓 UBr稱為反向擊穿電壓。特別注意一點，當反向擊穿時，如果沒有限 流保護，可能會對二極管造成永久性破壞。恒壓降模型在實際生產(chǎn)中，往往采用最簡單的方法來解決實際問題，這就要求我們要有簡化抽象的思維模式，忽略一些不必要的因素，建立起 符合

23、實際要求的模型。二極管反向電流非常小，在許多場合可以忽略不計，這里看成無 電流，死區(qū)電流非常小，亦可視為無電流通過，導通之后電壓變化 不大，可以視為恒值。這就是二極管的恒壓降模型。二極管的恒壓 降模型基本思想是當二極管導通后，其管壓降可認為是恒定的，不 隨電流血變，且導通電壓的典型值為 0.7V （硅管）。此模型只有當二 極管的電流iD近似等于或大于1mA寸才是正確的。該模型提供了 一種合理的近似，應用也較廣。3.二極管的簡單檢測與電阻等元器件不同，二極管分為陽極和陰極，在電路安裝中必 須注意極性。卜而我們一段視頻，并思一個問題，最后一種檢測方法利用了二極管的哪種特性？簡述前面幾種判別方法，重點講解最后一種。將萬用表置于RX100或RX1k檔，調零后用表筆分別正接、反 接于二極管的兩個引腳，這樣可分別測得大、小兩個電阻值。其中 較大的是二極管的反向電阻值，較小的是二極管的正向電阻值。故 在測得正向電阻值時，與黑表筆相連的電極是二極管的正極。根據(jù)正、反向電阻值判定二極管的質量與好壞。正向電阻值越小，反