56半导体物理基础电子教案

第一篇：56半导体物理基础电子教案

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~1000000Ω，温度系数-2%~-6.5%。

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0.5-0.8V，锗PN结的接触电位差为0.1-0.3V．

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

第二篇：半导体二极管 电子教案

第一章 半导体二极管

内容简介

本章首先介绍半导体的导电性能和特点，进而从原子结构给与解释。先讨论PN结的形成和PN结的特性，然后介绍半导体二极管特性曲线和主要参数。分析这些管子组成的几种简单的应用电路，最后列出常用二极管参数及技能训练项目。知识教学目标

1.了解半导体基础知识，掌握PN结的单向导电特性； 2.熟悉二极管的基本结构、伏安特性和主要参数； 3.掌握二极管电路的分析方法； 4.了解特殊二极管及其应用。技能教学目标

能够识别和检测二极管，会测定二极管简单应用电路参数。本章重点

1.要求掌握器件外特性，以便能正确使用和合理选择这些器件。如：半导体二极管：伏安特性，主要参数，单向导电性。

2.二极管电路的分析与应用。本章难点

1.半导体二极管的伏安特性，主要参数，单向导电性。

2.二极管电路分析方法。课时 4课时

题目：半导体、PN结

教学目标：了解本征半导体，杂质半导体的区别，从而得出半导体特性。记住半导体PN结的特性。教学重点：

1、半导体特性；

2、半导体PN结的特性；

教学难点：

1、半导体单向导电性。

2、半导体PN结分别加正反向电压导通与截止的特性。教学方法：讲授 教具：色粉笔

新课导入：电子技术基础是我们这学期新开的一门专业课，它包含各个基本小型电路的介绍及使用分析，这次课我们来学习一种材质：半导体。为以后的电路分析打下基础。

新授：

从导电性能上看，通常可将物质为三大类：导体： 电阻率，缘体：电阻率，半导体：电阻率ρ介于前两者之间。目前制造半导体器件材料用得最多的有：

单一元素的半导体——硅(Si)和锗(Ge);化合物半导体 —— 砷化镓(GaAs)。

图1.1.1 半导体示例

1.1.1 本征半导体

了解：

纯净的半导体称为本征半导体。用于制造半导体器件的纯硅和锗都是四价元素，其最外层原子轨道上有四个电子（称为价电子）。在单晶结构中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有，形成图1.1.2所示的共价健结构，图中+4代表四价元素原子核和内层电子所具有的净电荷。共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流；同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。

因此，半导体中有自由电子和空穴两种载流参与导电，分别形成电子电流和空穴电流，这一点与金属导体的导电机理不同。

1.1.2 杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。

一、N型半导体

若在四价的硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素(如磷、锑、砷等)，则晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原 子形成共价键，必定多出一个电 子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样，在该半导体中就存在大量的自由电子载流子，空穴是少数载流子，这种半导体就是N型半导体

图1.1.3 N型半导体结构

二、P型半导体

若在四价的硅或锗的晶体中少量的三价元素，如硼，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子,因而在该半导体中就存在大量的空穴载流子,当然,其中还有少数由于本征激发而产生的自由电子，如图1.1.4所示。

需要指出的是,无论是N型还是P型半导体,都是呈电中性的。

*综上所述，半导体特性：

*

1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。

2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由 电子和空穴对，故其有一定的导电能力。*

3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。

4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。*

5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。

1.1.3 PN结

一、PN 结的形成

在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。PN结是多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动相较量,最终达到动态平衡的必然结果，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。

二、PN结的单向导电性

1、PN结的偏置

PN结加上正向电压（正向偏置）的意思都是：P区加正、N区加负电压。PN结加上反向电压（反向偏置）的意思都是： P区加负、N区加正电压。

2、PN结正偏

如上图1.1.6所示,当PN结正偏时，外加电源形成的电场加强了载流子的扩散运动，削弱了内电场，耗尽层变薄，因而多子的扩散运动形成了较大的扩散电流。用流程图表述如下：PN结正偏外电场削弱内电场

耗尽层变薄 扩散运动漂移运动多子扩散运动形成正向电流。

3、PN结的反偏

在PN结加反向偏置时,如图1.1.7所示，外加电源形成的外电场加强了内电场，多子的扩散运动受到阻碍，耗尽层变厚；少子的漂移运动加强，形成较小的漂移电流。其过程表述如下： PN结反偏 外电场加强内电场 耗尽层变厚扩散运动漂移运动 少子漂移运动形成反向电流。

综上所述：

1）PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

2）PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

课后总结：这次课我们认识了半导体材料。对于半导体的特性，PN结的特性进行对比记忆，由大家课下熟悉完成记忆。作业：练习册1.1 板书设计：

一、半导体

1、本征半导体

2、杂质半导体：

二、PN结题目：1.2 二极管的特性及主要参数

教学目标：了解二极管的特性，分析使用二极管时的主要参数-伏安特性。教学重点：二极管结构分析，伏安特性的分析； 教学难点：

1、伏安特性分析。

2、几个参数的记忆及区分。教学方法：讲授 教具：色粉笔

新课导入：上次课我们认识了半导体器件中常用的器件“二极管”，在使用过程中不仅要了解它的参数也是不行的，这次我们继续学习它的特性及参数要求。

新授：

1.2.1 半导体二极管的结构和符号

形成PN结的P型半导体和N型半导体上，分别引出两根金属引线，并用管壳封装，就制成二极管。其中从P区引出的线为正极，从N区引出的线为负极。二极管的结构外形及在电路中的文字符号如图1.2.1所示。在图1.2.1(b)所示电路符号中，箭头指向为正向导通电流方向，二极管常见的封装形式如图1.2.2所示。

1.2.2 二极管的伏—安特性

半导体二极管的核心是PN结，它的特性就是PN结的单向导电特性。常利用伏一安特性曲线来形象地描述二极管的单向导电性。所谓伏安特性，是指二极管两端电压和流过二极管电流的关系，可用电路图来测量。若以电压为横坐标，电流为纵坐标，用作图法把电压、电流的对应值用平滑曲线连接起来，就构 成二极管的伏—安特性曲线，如图1.2.3所示(图中虚线为锗管的伏—安特性，实线为硅管的伏—安特性)，下面以二极管的伏—安特性曲线加以说明。

一、正向特性

当二极管两端加正向电压时，就产生正向电流，正向电压较小时，正向电流极小(几乎为零)，这一部分称为死区，相应的A(A′)点的电压命名为死区电压。

二极管正向导通时，要特别注意它的正向电流不能超过最大值，否则将烧坏PN结。

二、反向特性

当二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流很小，且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流，如图1.2.3中0C(或O′C′)段所示。

三、反向击穿特性

二极管反向电压加到定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。此时的电压称为反向击穿电压用表示，如图1.2.3中CD(或C′D′)段所示。

四、死区电压：锗——0.2V 硅——0.5V

五、导通电压降：锗——0.3V 硅——0.7V 1.2.3 半导体二极管的主要参数和分类

基本参数：

1．最大整流电流 最大整流电流是指二极管长期工作时，允许通过的最大平均电流使用正向平均电流能超过此值，否则二极管会击穿。

2．最大反向工作电压

最大反向工作电压是指二极管正常工作时，所承受的最高反向电压(峰值)。通常手册上给出的最大反向工作电压是击穿电压的一半左右。

3．二极管的直流电阻

二极管的直流电阻指加在二极管两端的直流电压与流过二极管的直流电流的比值。二极管的正向电阻较小，约为几欧到几千欧；反向电阻很大，一般可达零点几兆欧以上。

4．最高工作频率

最高工作频率是指二极管正常工作时上、下限频率，它的大小与PN结的结电容有超过此值，二极管单向导电特性变差。

课后总结：

这次课的重点：

1、二极管结构及其单向导电性

2、死区电压：锗——0.2V 硅——0.5V

3、导通电压降：锗——0.3V 硅——0.7V

4、二极管反向电压加到定数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿

作业：练习册1.2填空1-5题

板书设计：

一、半导体二极管的结构和符号 二、二极管的伏—安特性

三、半导体二极管的主要参数和分类 题目：1.4特殊二极管、二极管的检测及应用

教学目标：

1、稳压二极管、发光二级管及光电二极管的特点

2、学习二极管极性检测

3、学习二极管好坏的检测 教学重点：

1、学习二极管极性检测

2、学习二极管好坏的检测 教学难点：

1、二极管的检测

2、二极管的应用 教学方法：讲授 教具：色粉笔

新课导入：二极管大家已经知道是什么电子器件，那么如果拿来一个二极管，如何知道它的正负极？二极管的好坏该怎样检测？这一系列使用前应该做的准备都是必须有的，现在我们就来学习他的检测方法！

新授：

1.4.1 稳压二极管

稳压电路利用稳压二极管在反向击穿特性来实现稳压。下面简要介绍稳压二极管基本知识。

一、稳压二极管的工作特性

稳压二极管简称稳压管，它的伏一安特性曲线和在电路中的符号如图1.4.1所示。稳压管和普通二极管正向特性相同，不同的是反向击穿电压较低，且击穿特性陡峭，这说明反向电流在较大范围内变化时，击穿电压基本不变，稳压管正是利用反向击穿特性来实现稳压的，此时击穿电压称为稳定工作电压，用 UZ表示。

二、稳压管的主要参数 1.稳定电压UZ

稳定电压UZ 即反向击穿电压。由于击穿电压与制造工艺、环境温度和工作电流有关，手册中只能给出某一型号的稳压范围。2.稳定电流IZ

稳定电流IZ 是指稳压管工作至稳定状态时流过的电流。当稳压管稳定电流小于最小稳定电流 时，没有稳定作用；大于最大稳定电流 时，管子因过流而损坏。稳压管由于受热而击穿。

1.4.2 发光二极管与光电二极管

一、发光二极管

发光二极管是一种把电能变成光能的器件，由磷化镓、砷化镓等半导体材料制成，电路符号见图1.4.3,当给发光二极管加上偏压，有一定的电流流过时二极管就会发光，这是由于PN结的电子和空穴直接复合放出能量的结果。

① 颜色：发光二极管的种类按发光的颜色可分为：红色、蓝色、黄色、绿色和无色 ② 正负极：管脚引线较长者为正极，较短者为负极。③ 不同颜色发光二级管工作电压：

发光二极管工作时导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料不同而不同，一般为1.7v～2.4v。

普通绿、红、黄二极管工作电压约为2v，白色发光二极管电压通常高于2.4v； 蓝色发光二极管工作电压一般高于3.3v。

发光二极管的工作电流一般为2mA～25mA。发光二极管广泛应用于各种电子仪器仪表、计算机、电视机的电源指示和信号指示，还可以做成七段译码显示器等。

二、光电二极管

光电二极管又叫光敏二极管，外形如图1.4.5。光电二极管也是由一个PN 结构成，但是它的PN面积较大，通过管壳上的一个玻璃来接收入射光。它是利用PN在施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由大变小来工作的，其工作电路如1.4.4。光电二极管可用于光测量、光电控制等方面，如遥控接收器、光纤通讯、激光头中都用到光电二极管。

1.5 二极管的检测与应用

1、二极管的识别

二极管正负极、规格、功能和制造材料一般可以通过管壳上的标志和查阅手册(本章内容后附有实用资料)来判断，如IN4001通过壳上的标志可判断正负极，查阅手册可知它是整流管，参数是1A/50V;2CW15查阅手册可知它是N型硅材料稳压管。如果管壳上无符号或标志不清，就需要用万用表来检测。

2、二极管的检测

二极管的检测主要是判断其正负极和质量好坏。

基本方法：

(1)选档位

将万用表量程调至 R×100Ω 或 R×1KΩ档（一般不用 R×1Ω档，因其电流较大，而 R×10K档电压过高管子易击穿）(2)测电阻

将两表笔分别接触二极管两个电极，测得一个电阻值，交换一次电极再测一次，从而得到两个电阻值。

正向电阻＜5KΩ 反向电阻＞500KΩ，如图1.5.1所示。（3）问题分析

性能好的二极管，一般反向电阻比正向电阻大几百倍。① ② ③ ④ 如两次测得的正、反向电阻很小或等于零，则说明管子内部已击穿或短路； 如果正、反向电阻均很大或接近无穷大，说明管子内部已开路； 如果电阻值相差不大，说明管子性能变差； 在上述三种情况的二极管均不能使用。

作业：练习册1.2填空1-5题 课后总结：

这次课的重点：

1、各种特别二极管的特点简介

2、二极管的极性及性能好坏的检测

板书设计：

1、各种特别二极管的特点简介

2、二极管的极性及性能好坏的检测

第三篇：高一物理半导体教案

第十二节 电阻的测量（2）

教学目的：（1）掌握伏安法测电阻的原理，方法。

（2）了解欧姆表的基本构造，简单原理和测量电阻的方法。教 具：万用表一个，电阻若干

课时安排：伏安法1课时；欧姆表法1课时.教学过程：

引入新课：电阻值是导体的一个重要特性，测量导体的电阻值有很多用途，我们发展了许多测量电阻值的方法。现在只介绍其中的两种方法：伏安法和欧姆表法。

新课教学: 1.伏安法:(1)一般地说,一个物理量的定义就告诉了我们测量它的方法.伏安法测电阻是根据电阻的定义来的.设 问: 电阻是如何定义的?(要求学生回答R=U/I)说 明: 根据定义可知只要测出电阻两端的电压UR和通过电阻的电流IR就可以算出电阻值Rx=UR/IR..这种测量电阻的方法叫做伏安法.(注意:用符号UR,IR是为了准确表达电阻上的电压和电阻中通过的电流)(2)具体测量时应在待测电阻Rx上加一电压,再用伏特表,安培表测电压,电流.(引导学生画出图甲和图乙所示的两种测量电路)指 出:（甲）图叫安培表外接法，（乙）图叫安培表内接法。

说 明： 我们认为待测电阻值就等于电压表读数

与安培表读数之比.设 问:（甲）（乙）两图测量的电阻值相同吗? 引导学生讨论,总结讨论结果时明确下述问题.按照定义Rx=UR/IR 但实际上电压表,电流表都有一定的电阻.对(甲)图,伏特表指示的电压UV等于电阻两端的电压UR,即UV=UR.安培表指示的电流IA等于通过电阻和伏特表电流之和,即IA=IR+IV.故(甲)图测得的电阻值Rx甲=UV/IA=UR/(IR+IV)＜待测电阻的真实值Rx=UR/IR

即RX甲＜Rx.对（乙）图,伏特表指示的电压UV等于电阻和安培表的电压之和,即UV=UR+UA.安培表指示的电流等于通过电阻的电流,即IR=IA.故（乙）图测得的电阻值Rx乙=UV/IA=(UR+UA)/IR＞电阻的真实值Rx

即Rx乙＞Rx.设问(甲)（乙）两图的测量都有误差,为了减小误差我们应该选(甲)图还是选（乙）图的电路来测量呢? 要求学生根据上述思想得到结论: RX＜＜RV时：用(甲)图电路测量误差小,且总是偏小.RX＞＞RA时：用（乙）图电路测量误差小,且总是偏大.(3)例题分析: 设已知伏特表电阻RV=5000欧,安培表电阻RA=0.2000欧

①待测电阻RX约为几欧,应采用哪个电路图来测理电阻?(甲)如电压表示数为2.50伏,电流表示数为0.50安,则Rx的测量值是多少?(5.0欧)RX的准确值是多少?(5.01欧)②若待测电阻RX约为几百欧,应采用哪个电路图来测量?(乙)如电压表示数为16.0伏,安培表示数为0.080安.求RX的测量值和准确值(200欧；199.8欧)作

业：《高二物理》P62（1）（2）

2．欧姆表

提出：伏安法测电阻的缺点除了测量原理上带来的误差外，还要同时应用两个电表：电压表和安培表，也不方便.实际中常用欧姆表粗测电阻值.(1)欧姆表测电阻的原理:是闭合电路欧姆定律.如图所示:I=ε/(r+Rg+Rx).如已知电池电动势ε,内电阻r,电流表内阻Rg,则只要测电流I就可算出待测电阻值Rx.(2)欧姆表的基本构造: 如图所示:电池(ε,r)与电流表(Rg),可变电阻(R)串联.红表笔接电池负极 黑表笔通过R,Rg接电池正极.Ⅰ:红黑表笔短路时 Rx=0,调整R使电表满偏.Ig=ε/(Rg+r+R)电流表指针满偏时 表明Rx=0 我们把Rg+r+Rx叫欧姆表的中值电阻R内 Ⅱ:红黑表笔不接触时

I=0指针不发生偏转,即指着电流表的零点.Rx=∞ Ⅲ:红黑表笔间接上待测电阻Rg时

电流I=ε/Rg+R+r+Rx 已知ε和R内,测出I就可算出Rx Rx改变,I随着改变.可见每一个Rx值都有一个对应的电 流值I.如果我们在刻度盘上直接标出与I对应的电阻Rx 的值,那么只要用红黑表笔分别接触待测电阻的两端,就可 以从表盘上直接读出它的阻值.说明:欧姆表的刻度值与伏特表和安培表不同.欧姆表是反刻 度的.指针满偏时Rx=0,指针不动时Rx=∞；欧姆表的刻度不 均匀.(3)使用方法: 选择合适档位: 根据Rx的估计值选择合档位使指针在中点附

近,这样测量值精确些.(改变中值电阻)调 零: 红黑表笔短路,调整调零电阻使指针满偏.测量 读数: 说明:用欧姆表来测电阻是很方便的,但是电池用久了,它的电 动势和内电阻都要变化,那时欧姆表指示的电阻值,误差就相 当大了,所以欧姆表只能用来粗测电阻.用欧姆表测量电阻时,一定要使被测电阻同其它电路脱离开.作 业:预习《高二物理实验报告》练习用多用电表测量电阻

第四篇：高二物理半导体教案1

14.3 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 0.5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。

第五篇：半导体物理教学大纲（精选）

《半导体物理》

课程编号：01500277

课程名称：半导体物理 Semiconductor Physics 学分：3.5 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］S.M.Sze,physics of Semiconductor Devices［M］.John Wiley and Sons,Inc.1981.《微电子器件基础》