半导体的基本知识教案

第一篇：半导体的基本知识教案

电工电子技术教案

第一章 半导体二极管

§1-1 教学目的：

1、了解半导体导电性及特点。

2、初步掌握PN结的基本特性及非线性的实质。

3、熟悉二极管外形和电路符号，伏安特性和主要参数。

4、了解特殊功能的二极管及应用。

半导体的基本知识

教学重点、难点：

教学重点：1）半导体导电性及特点。

2）PN结的基本特性及非线性的实质

3）二极管外形和电路符号，伏安特性和主要参数。

教学难点：二极管外形和电路符号，伏安特性和主要参数

一、半导体的基本概念

人们按照物质导电性能，通常将各种材料分为导体、绝缘体和半导体三大类。导电性能良好的物质称为导体，例如金、银、铜、铝等金属材料。另一类是几乎不导电的物质称为绝缘体，例如陶瓷、橡胶、塑料等材料。再一类是导电性能介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，例如硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓等都是半导体。

纯净半导体也叫本征半导体，这种半导体只含有一种原子，且原子按一定规律整齐排列。如常用半导体材料硅（Si）和锗（Ge）。在常温下，其导电能力很弱；在环境温度升高或有光照时，其导电能力随之增强。

常常在本征半导体中掺入杂质，其目的不单纯是为了提高半导体的导电能力，而是想通过控制杂质掺入量的多少，来控制半导体的导电能力的强弱。

在硅本征半导体中，掺入微量的五价元素(磷或砷)，就形成N型半导体。在硅本征半导体中，掺入微量的三价元素(铟或硼)，就形成P型半导体。

二、PN结及单向导电性

1、当把一块P型半导体和一块N型半导体用特殊工艺紧密结合时，在二者的交界面上会形成一个具有特殊现象的薄 1

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层，这个薄层被称为PN结。

2、PN结的单向导电性

1）PN结加正向电压――正向导通

正极接Ｐ区，负极接Ｎ区，称“正向偏置”或正偏。２）PN结加反向电压――反向截止

电源负极接Ｐ区，正极接Ｎ区，称“反向电压”或反偏。

ＰＮ结加正向电压导通，加反向电压截止，即ＰＮ结的――单向导电性

§1-２ 一、二极管的结构、符号和分类 1.二极管的结构、符号

半导体二极管

晶体二极管是由一个PN结构成的，从P区引出的电极为二极管正极，N区引出的电极为二极管负极，用管壳封装起来即成二极管。

二极管的符号用Ｖ表示

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２、二极管的分类

讲述书本上的表１－２ 二极管的命名方法

由五部分组成，见书本Ｐ４讲解

我国半导体器件的型号是按照它的材料、性能、类别来命名的，一般半导体器件的型号由五部分组成。

第一部分——用阿拉伯数字表示器件的电极数目； 第二部分——用汉语拼音字母表示器件的材料和极性； 第三部分——用汉语拼音字母表示器件的类型； 第四部分——用阿拉伯数字表示器件序号； 第五部分——用汉语拼音字母表示规格号。二、二极管的伏安特性(1)正向特性（图中OAB段）

① 当二极管两端所加的正向电压由零开始增大时，在正向电压比较小的范围内，正向电流很小，二极管呈现很大的电阻，如图中OA段，通常把这个范围称为死区，相应的电压叫死区电压。硅二极管的死区电压为0.5V左右，锗二极管的死区电压约为0.1～0.2V。

② 外加电压超过死区电压以后，二极管呈现很小的电阻，正向电流ID迅速增加，这时二极管处于正向导通状态，如图中AB段为导通区，此时管子两端电压降变化不大，该电压值称为正向压降(或管压降)，常温下硅管约为0.6～0.7V，锗管约为0.2～0.3V。

(2)反向特性（图中OCD段）

① 当给二极管加反向电压时，所形成的反向电流是很小的，而且在很大范围内基本不

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随反向电压的变化而变化，即保持恒定。如曲线OC段称为反向截止区，此处的IR称为反向饱和电流。

② 当反向电压大到一定数值UBR时，反向电流会急剧增大，如图中CD段，这种现象称为反向击穿，相应的电压叫反向击穿电压。正常使用二极管时（稳压二极管除外），是不允许出现这种现象的，因为击穿后电流过大将会使管子损坏。三、二极管的主要参数

选择二极管时主要考虑以下三个参数；最大整流电流、最高反向工作电压、反向电流。

1、最大整流电流IFM 是二极管允许通过的最大正向工作电流的平均值。如实际工作时的正向电流平均值超过此值，二极管内的PN结可能会过分发热而损坏。

2、最高反向工作电压URM 是二极管允许承受的反向工作电压的峰值。为了留有余量，通常标定的最高反向工作电压是反向击穿电压的一半或三分之一。

3、反向漏电流IR 是在规定的反向电压和环境温度下测得的二极管反向电流值。这个电流值越小，二极管单向导电性能越好。

硅是非金属，其反向漏电流较小，在纳安数量级，而锗是金属，其反向漏电流较大，在微安数量级。讲述书上例题１－１ 四、二极管的识别与检测 １、识别

可根据其外部标志来识别管脚极性 ２、二极管的检测

用指针式万用表判别二极管的极性和好坏。如图5.5所示，将万用表拔至电阻档的R×100Ω或R×1KΩ档。此时，万用表的红表笔接的是表内电池的负极，黑表笔接的是表内电池的正极。具体的测量方法是：将万用表的红、黑笔分

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别接在二极管的两端，测量此时的电阻值。正常时，图（a）测得的正向电阻比较小（几KΩ以下）；图（b）测得的反向电阻比较大（几百KΩ）。测得电阻值小的那一次，黑表笔接的是二极管的正极。

如果测得二极管的正、反向电阻都很小，甚至于为零，表明管子内部已短路。如果测得二极管的正、反向电阻都很大，则表明管子内部已断路。

五、其他二极管 1.发光二极管

发光二极管(简称LED)的PN结工作在正向偏置状态。它是利用电信号变成光信号的一种半导体器件，它具有功耗低、体积小、工作可靠等特点。2.光敏二极管

光敏二极管又称光电二极管，其PN结工作在反向偏置状态。目前使用最多的是硅（Si）光电二极管。

3、变容二极管

变容二极管的特性曲线及符号

工作原理

应用

变容二极管的结电容主要由耗尽层引起。耗尽层内无载流子，相当于平行板电容器两个极板间的介质，当PN结的面积一定时，结电容Cj与耗尽层的宽度成反比；当外加反向电压减小时，耗尽层变窄，Cj增大，反之,Cj减小。所以，变容二极管相当于用电压来控制容量的可变电容，即压控电容。

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课堂小结：

1.半导体中有两种载流子：电子和空穴。半导体的导电性是靠本征激发产生的电子--空穴对来实现的。常温下导电性很弱，但是它具有热敏特性、光照特性和掺杂特性，因而被广泛应用。

2.杂质半导体有两类：N型半导体和P型半导体，N型半导体中电子是多数载流子，空穴是少子；P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少子。PN结的基本特性是单向导电性。

3.二极管是由一个PN结组成，所以具有单向导电性。二极管的伏安特性是非线性的，故称它是非线性器件。二极管的门坎电压（也称死区电压），硅管约0.5V，锗管约0.2V；正向压降硅管约0.7V，锗管约0.3V。

4.特殊二极管主要有稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等。稳压二极管是利用它的反向击穿时电压基本恒定不变，电流变化很大的特性，来实现稳压的。变容二极管是利用PN结电容随反向电压变化而变化来实现变容的,多用于调谐电路选取信号。发光二极管功能是将电信号转换为光信号。而光电二极管则是将光信号转换为电信号。作业：习题册第1、2、3、4、5页。

第二篇：常用半导体器件教案

第一章

常用半导体器件

1.1 半导体基础知识

1.1.1 本征半导体

一、半导体

1． 概念：导电能力介于导体和绝缘体之间。2． 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。

二、本征半导体的晶体结构（图1.1.1）

1． 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。2． 共价键

三、本征半导体中的两种载流子（图1.1.2）

1． 本征激发：在热激发下产生自由电子和空穴对的现象。2． 空穴：讲解其导电方式； 3． 自由电子

4． 复合：自由电子与空穴相遇，相互消失。5． 载流子：运载电荷的粒子。

四、本征半导体中载流子的浓度

1． 动态平衡：载流子浓度在一定温度下，保持一定。2． 载流子浓度公式：

nipiK1T3/2eEGO/(2kT)

自由电子、空穴浓度（cm5－

3），T为热力学温度，k为波耳兹曼常数（8.6310eV/K），EGO为热力学零度时破坏共价键所需的能量（eV），又称禁带宽度，K1是与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量。

1.1.2 杂质半导体

一、概念：通过扩散工艺，掺入了少量合适的杂质元素的半导体。

二、N型半导体（图1.1.3）

1． 形成：掺入少量的磷。2． 多数载流子：自由电子 3． 少数载流子：空穴

4． 施主原子：提供电子的杂质原子。

三、P型半导体（图1.1.4）

1． 形成：掺入少量的硼。2． 多数载流子：空穴 3． 少数载流子：自由电子

4． 受主原子：杂质原子中的空穴吸收电子。

5． 浓度：多子浓度近似等于所掺杂原子的浓度，而少子的浓度低，由本征激发形成，对温度敏感，影响半导体的性能。

1.1.3 PN结

一、PN结的形成（图1.1.5）

1． 扩散运动：多子从浓度高的地方向浓度低的地方运动。2． 空间电荷区、耗尽层（忽视其中载流子的存在）3． 漂移运动：少子在电场力的作用下的运动。在一定条件下，其与扩散运动动态平衡。4． 对称结、不对称结：外部特性相同。

二、PN结的单向导电性

1． PN结外加正向电压：导通状态（图1.1.6）正向接法、正向偏置，电阻R的作用。（解释为什么Uho与PN结导通时所表现的外部电压相反：PN结的外部电压为U即平时的0.7V，而内电场的电压并不对PN结的外部电压产生影响。）

2． PN结外加反向电压：截止状态（图1.1.7）反向电压、反向偏置、反向接法。形成漂移电流。

三、PN结的电流方程

1． 方程（表明PN结所加端电压u与流过它的电流i的关系）：

iIS(euUT1)

UTkT

q为电子的电量。q2．平衡状态下载流子浓度与内电场场强的关系： 3． PN结电流方程分析中的条件：

4． 外加电压时PN结电流与电压的关系：

四、PN结的伏安特性（图1.1.10）

1． 正向特性、反向特性

2． 反向击穿：齐纳击穿（高掺杂、耗尽层薄、形成很强电场、直接破坏共价键）、雪崩击穿（低掺杂、耗尽层较宽、少子加速漂移、碰撞）。

五、PN结的电容效应

1． 势垒电容：（图1.1.11）耗尽层宽窄变化所等效的电容，Cb（电荷量随外加电压而增多或减少，这种现象与电容器的充放电过程相同）。与结面积、耗尽层宽度、半导体介电常数及外加电压有关。2． 扩散电容：（图1.1.12）

（1）平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子。

（2）非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子。

（3）浓度梯度形成扩散电流，外加正向电压增大，浓度梯度增大，正向电流增大。

（4）扩散电容：扩散区内，电荷的积累和释放过程与电容器充放电过程相同。i越大、τ越大、UT越小，Cd就越大。

（5）结电容CjCbCd

pF级，对于低频忽略不计。

1.2 半导体二极管

（几种外形）（图1.2.1）

1.2.1 半导体二极管的几种常见结构（图1.2.2）

一、点接触型：电流小、结电容小、工作频率高。

二、面接触型：合金工艺，结电容大、电流大、工作频率低，整流管。

三、平面型：扩散工艺，结面积可大可小。

四、符号

1.2.2 二极管的伏安特性 一、二极管的伏安特性

1． 二极管和PN结伏安特性的区别：存在体电阻及引线电阻，相同端电压下，电流小；存在表面漏电流，反向电流大。

2． 伏安特性：开启电压（使二极管开始导通的临界电压）（图1.2.3）

二、温度对二极管方案特性的影响

1． 温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。

2． 室温时，每升高1度，正向压降减小2～2.5mV；每升高10度，反向电流增大一倍。

1.2.3 二极管的主要参数

一、最大整流电流IF：长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。

二、最高反向工作电压UR：工作时，所允许外加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。

三、反向电流IR：未击穿时的反向电流。越小，单向导电性越好；此值对温度敏感。

四、最高工作频率fM：上限频率，超过此值，结电容不能忽略。

1.2.4 二极管的等效电路 一、二极管的等效电路：在一定条件下，能够模拟二极管特性的由线性元件所构成的电路。一种建立在器件物理原理的基础上（复杂、适用范围宽），另一种根据器件外特性而构造（简单、用于近似分析）。

二、由伏安特性折线化得到的等效电路：（图1.2.4）

1． 理想二极管：注意符号 2． 正向导通时端电压为常量

3． 正向导通时端电压与电流成线性关系 4． 例1（图1.2.5）三种不同等效分析：（1）V远远大于UD，（2）UD变化范围很小，(3)接近实际情况。5． 例2（图1.2.6）三、二极管的微变等效电路（图1.2.7）（图1.2.8）（图1.2.9）

动态电阻的公式推倒：

1.2.5 稳压二极管

一、概念：一种由硅材料制成的面接触型晶体二极管，其可以工作在反向击穿状态，在一定电流范围内，端电压几乎不变。

二、稳压管的伏安特性：（图1.2.10）

三、稳压管的主要参数

1． 稳定电压UZ：反向击穿电压，具有分散性。2． 稳定电流IZ：稳压工作的最小电流。

3． 额定功耗PZM：稳定电压与最大稳定电流的乘积。4． 动态电阻rZ：稳压区的动态等效电阻。

5． 温度系数α：温度每变化1度，稳压值的变化量。小于4V为齐纳击穿，负温度系数；大于7V为雪崩击穿，正温度系数。

四、例（图1.2.11）

1.2.6 其他类型二极管

一、发光二极管（图1.2.12）可见光、不可见光、激光；红、绿、黄、橙等；开启电压大。

二、光电二极管（图1.2.13）远红外接受管，伏安特性（图1.2.14）光电流（光电二极管在反压下，受到光照而产生的电流）与光照度成线性关系。

三、例（图1.2.15）

1.3 双极型晶体管

双极型晶体管（BJT: Bipolar Junction Transistor）几种晶体管的常见外形（图1.3.1）

1.3.1 晶体管的结构及类型（图1.3.2）

一、构成方式：同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结。

二、结构：

1． 三个区域：基区（薄且掺杂浓度很低）、发射区（掺杂浓度很高）、集电区（结面积大）；

2． 三个电极：基极、发射极、集电极； 3． 两个PN结：集电结、发射结。

三、分类及符号：PNP、NPN 1.3.2 晶体管的电流放大作用

一、放大：把微弱信号进行能量的放大，晶体管是放大电路的核心元件，控制能量的转换，将输入的微小变化不失真地放大输出，放大的对象是变化量。

二、基本共射放大电路（图1.3.3）

1． 输入回路：输入信号所接入的基极－发射极回路；

2． 输出回路：放大后的输出信号所在的集电极－发射极回路； 3． 共射放大电路：发射极是两个回路的公共端； 4． 放大条件：发射结正偏且集电结反偏；

5． 放大作用：小的基极电流控制大的集电极电流。

三、晶体管内部载流子的运动（图1.3.4）分析条件uI0

1． 发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE，空穴电流IEP由于基区掺杂浓度很低，可以忽略不计；IEIENIEP

2． 扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成电流IBN；

3． 集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC，其中非平衡少子的漂移形成ICN，平衡少子形成ICBO。

ICBO4． 晶体管的电流分配关系：ICICNICBO，IBIBNIEPICBOIB，IEIBIC

四、晶体管的共射电流放大系数

1． 共射直流电流放大系数：ICNICICBO IBIBICBO2． 穿透电流ICEO：ICIB(1)ICBOIBICEO

基极开路时，集电极与发射极之间的电流；

3． 集电结反向饱和电流ICBO：发射极开路时的IB电流； 4．近似公式：ICIB，IE(1)IB

5． 共射交流电流放大系数：当有输入动态信号时，ic iB6． 交直流放大系数之间的近似：若在动态信号作用时，交流放大系数基本不变，则有iCICiCIBICEOiB(IBiB)ICEO因为直流放大系数在线性区几乎不变，可以把动态部分看成是直流大小的变化，忽略穿透电流，有：，放大系数一般取几十至一百多倍的管子，太小放大能力不强，太大性能不稳定；

7． 共基直流电流放大系数：ICN，，

1IE1iC， iE8． 共基交流电流放大系数：

1.3.3 晶体管的共射特性曲线

一、输入特性曲线（图1.3.5）iBf(uBE)u的能力有关。

二、输出特性曲线（图1.3.6）iCf(uCE)IB常数CE常数，解释曲线右移原因，与集电区收集电子

（解释放大区曲线几乎平行于横轴的原因）

1． 截止区：发射结电压小于开启电压，集电结反偏，穿透电流硅1uA，锗几十uA；

2． 放大区：发射结正偏，集电结反偏，iB和iC成比例；

3． 饱和区：双结正偏，iB和iC不成比例，临界饱和或临界放大状态（uCB0）。

1.3.4 晶体管的主要参数

一、直流参数

1． 共射直流电流系数 2． 共基直流电流放大系数 3． 极间反向电流ICBO

二、交流参数 1． 共射交流电流放大系数 2． 共基交流电流放大系数

3． 特征频率fT：使下降到1的信号频率。

三、极限参数（图1.3.7）

1． 最大集电极耗散功率PCM；

2． 最大集电极电流ICM：使明显减小的集电极电流值；

3． 极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压，UCBO几十伏到上千伏、UCEO、UEBO几伏以下。

UCBOUCEXUCESUCERUCEO

1.3.5 温度对晶体管特性及参数的影响

一、温度对ICBO影响：每升高10度，电流增加一倍，硅管的ICBO要小一些。

二、温度对输入特性的影响：（图1.3.8）与二极管伏安特性相似。温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移，室温时，每升高1度，发射结正向压降减小2～2.5mV。

三、温度对输出特性的影响：（图1.3.9）温度升高变大。

四、两个例题

1.3.6 光电三极管

一、构造：（图1.3.10）

二、光电三极管的输出特性曲线与普通三极管类似（图1.3.11）

三、暗电流：ICEO无光照时的集电极电流，比光电二极管的大，且每上升25度，电流上升10倍；

四、光电流：有光照时的集电极电流。

1.4 场效应管

1.4.1 结型场效应管 1.4.2 绝缘栅型场效应管

一、N沟道增强型MOS管（图1.4.7）

1． 结构：衬底低掺杂P，扩散高掺杂N区，金属铝作为栅极； 2． 工作原理：

(1)栅源不加电压，不会有电流；

(2)（图1.4.8）uDS0且uGS0时，栅极电流为零，形成耗尽层；加大电压，形成反型层（导电沟道）；开启电压UGS(th)；

(3)（图1.4.9）uGSUGS(th)为一定值时，加大uDS，iD线性增大；但uDS的压降均匀地降落在沟道上，使得沟道沿源－漏方向逐渐变窄；当uGD＝UGS(th)时，为预夹断；之后，uDS增大的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力，此时，对应不同的uGS就有不同的iD，从而可以将iD看为电压uGSiD出现恒流。控制的电流源。

3． 特性曲线与电流方程：(1)特性曲线：（图1.4.10）转移特性、输出特性；

u(2)电流方程：iDIDOGS1

UGS(th)

二、N沟道耗尽型MOS管（图1.4.10）

1． 结构：绝缘层加入大量的正离子，直接形成反型层； 2． 符号

三、P沟道MOS管：漏源之间加负压

四、VMOS管

21.4.3 场效应管的主要参数

一、直流参数

1． 开启电压UGS(th)：是UDS一定时，使iD大于零所需的最小UGS值；

2． 夹断电压UGS(off)：是UDS一定时，使iD为规定的微小电流时的uGS；

3． 饱和漏极电流IDSS：对于耗尽型管，在UGS＝0情况下，产生预夹断时的漏极电流； 4． 直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流之比，MOS管大于10。

二、交流参数

1． 低频跨导：gm9iDuGS

UDS常数2． 极间电容：栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、1～3pF，漏源电容Cds0.1～1pF

三、极限参数

1． 最大漏极电流IDM：管子正常工作时，漏极电流的上限值； 2． 击穿电压：漏源击穿电压U(BR)DS，栅源击穿电压U(BR)GS。3． 最大耗散功率PDM：

4． 安全注意：栅源电容很小，容易产生高压，避免栅极空悬、保证栅源之间的直流通路。

四、例

1.4.4 场效应管与晶体管的比较

一、场效应管为电压控制、输入电阻高、基本不需要输入电流，晶体管电流控制、需要信号源提供一定的电流；

二、场效应管只有多子参与导电、稳定性好，晶体管因为有少子参与导电，受温度、辐射等因素影响大；

三、场效应管噪声系数很小；

四、场效应管漏极、源极可以互换，而晶体管很少这样；

五、场效应管比晶体管种类多，灵活性高；

六、场效应管应用更多。

1.5 单结晶体管和晶闸管 1.6 集成电路中的元件

第三篇：半导体三极管教案

半导体三极管

学科：电子技术基础 班级：11秋电子技术应用9班 教师：胡明锋 授课类型：讲授 课时：一课时

一、教学目标：

知识目标 识记半导体三极管的定义、掌握三极管的结构、分类和符号。技能目标 能够画出半导体三极管的结构和符号，能够识别出三极管。情感目标 培养学生发现问题的能力，归纳知识的能力。

二、教学重点：

1.三极管的定义、结构、符号。2.三极管的NPN、PNP两种类型的认识。

三、教学难点

三极管的结构、符号、三极管的NPN、PNP两种类型的认识

四、教学媒体

多媒体课件、半导体三极管、半导体二极管、粉笔。

五、教学方法 讲授法、演示法。

六、教学过程

（一）、导入新课

1.复习内容：复习上节课半导体二极管的知识，重点复习半导体的定义、PN结的定义和特性，半导体二极管的符号和主要特性。

2.导入新课：在半导体器件中，除了半导体二极管外还有一种广泛应用于各种电子电路的重要器件，那就是半导体三极管，通常也称为晶体管。半导体三极管在电子电路里的主要作用是放大作用

（二）、半导体三极管的结构和符号：

1.观察半导体三级管的结构并熟识该图，要求能完整画出该图。2.PNP型及NPN型三极管的内部结构及符号如图所示

半导体三极管的结构与符号

PNP型 NPN型

3.半导体三极管是一种有三个电极、两个PN结的半导体器件。三区：发射区、基区、集电区。三极：发射极E、基极B、集电极C。

两结：发射结（发射极与基极之间的PN结）、集电结（集电极与基极之间的PN结）。

4.根据半导体基片材料不同，三极管可分为PNP型和NPN型两大类。

5.两者的符号区别在于发射极的箭头方向不同。箭头方向就是发射极正向电流的方向。

（三）、半导体三极管的分类

1.按半导体基片材料不同：NPN型和PNP型。2.按功率分：小功率管和大功率管。3.按工作频率分：低频管和高频管。4.按管芯所用半导体材料分：锗管和硅管。5.按结构工艺分：合金管和平面管。6.按用途分：放大管和开关管。

（四）、外形及封装形式

三极管常采用金属、玻璃或塑料封装。常用的外形及封装形式如图所示。

七、作业

1.画出PNP型及NPN型三极管的内部结构及符号并指出三个电极、两个PN结。2.半导体三极管的分类有哪几种？

八、板书设计 1.半导体三极管的结构 2.半导体三极管的符号 3.半导体三极管的定义 4.NPN型和PNP型半导体三极管 5.半导体三极管的分类

6.半导体三极管的外形及封装形式

九、教学后记

1．通过学生自主活动及多媒体课件演示，不仅使各教学内容有机的结合，而且丰富了教学手段，增强了教学的直观性，达到良好的教学效果，从而增强了学生的自信心。

2．遵循学生的认知规律，坚决贯彻“学做合一”或“做、学、做”的双向程序模式，学生学会在活动过程中获取新知识的乐趣和能力。

3．透过活动项目过程，表明教学效果良好，同学们加深了对所学知识的理解和记忆，灵活运用所学知识解决实际问题的能力显著提高。部分学生自主活动能力还是有所欠缺，通过教师引导和讲解能够有较大的提高，另一个问题是学生对活动内容的熟练程度不够，应该增加练习的时间。

第四篇：半导体工艺教案第八章

第九章 掺杂

【教学内容及教学过程】 8.1 引言

8.1.1 刻蚀的概念

刻蚀（Etching）是把进行光刻前所淀积的薄膜（厚度约在数百到数十纳米）中没有被光刻胶覆盖和保护的部分，用化学或物理的方式去除，以完成转移掩膜图形到薄膜上面的目的，如图8⁃1所示。

图 8-1 刻蚀图形转移示意图

1)湿法刻蚀是利用合适的化学试剂将未被光刻胶保护的晶圆部分分解，然后形成可溶性的化合物以达到去除的目的。

2)干法刻蚀是利用辉光(Glow Discharge)的方法产生带电离子以及具有高浓度化学活性的中性原子和自由基，这些粒子和晶圆进行反应，从而将光刻图形转移到晶圆上。8.1.2 刻蚀的要求 1.图形转换的保真度高 2.选择比 3.均匀性 4.刻蚀的清洁 8.2 刻蚀工艺 8.2.1 湿法刻蚀

最早的刻蚀技术是利用溶液与薄膜间所进行的化学反应，来去除薄膜未被光刻胶覆盖的部分，从而达到刻蚀的目的。这种刻蚀方式就是湿法刻蚀技术。湿法刻蚀又称湿化学腐蚀，其腐蚀过程与一般化学反应相似。由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖部分，因此，理想的腐蚀应当是对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率很慢。刻蚀不同材料所选取的腐蚀液是不同的。1)湿法刻蚀的反应生成物必须是气体或能溶于刻蚀剂的物质，否则会造成反应生成物沉淀，从而影响刻蚀正常进行。

2)湿法刻蚀是各向异性的，刻蚀中腐蚀液不但浸入到纵向方向，而且也在侧向进行腐蚀。3)湿法刻蚀过程伴有放热和放气过程。1)反应物扩散到被刻蚀材料的表面。2)反应物与被刻蚀材料反应。

3)反应后的产物离开刻蚀表面扩散到溶液中，随溶液被排除。8.2.2 干法刻蚀

干法刻蚀是以等离子体来进行薄膜刻蚀的一种技术。在干法刻蚀过程中，不涉及溶液，所以称为干法刻蚀。

1)物理刻蚀是利用辉光放电将气体(比如氩气)解离成带正电的离子，再利用偏压将带正电的离子加速，轰击在被刻蚀薄膜的表面，从而将被刻蚀物质的原子轰击出去。2)化学刻蚀又叫做等离子刻蚀，它与物理刻蚀完全不同，它是利用等离子体，将反应气体解离，然后借助离子与薄膜之间的化学反应，把裸露在等离子体中的薄膜，反应生成挥发性的物质而被真空系统抽离。1.等离子体的概念 2.等离子体的产生方式

(1)气体放电法 通常把在电场作用下，气体被击穿而导电的现象称为气体放电。

(2)射线辐照法 射线辐照法是利用各种射线或粒子束辐照，使得气体电离而产生等离子体。8.2.3 两种刻蚀方法的比较

湿法刻蚀是在水溶液下进行的，所以刻蚀速度较快，同时选择度较高，但刻蚀时是各向同性腐蚀，也就是说，除了在纵向进行腐蚀以外，在横向上也会有腐蚀，这样就造成图形转换时保真度较低，因此，湿法刻蚀不能满足超大规模集成电路制造的要求。

图8-2 干法刻蚀与湿法刻蚀效果的比较 8.3 干法刻蚀的应用 8.3.1 介质膜的刻蚀

集成电路工艺中所广泛用到的介质膜主要是SiO2膜及Si3N4膜。1.二氧化硅的干法刻蚀

图8-3 HWP结构图 8.3 干法刻蚀的应用

图8-4 等离子体扩散腔外围磁场(1)氧的作用 在CF4中加入氧后，氧会和CF4反应释放出F原子，因而增加F原子的含量，则增加了Si与SiO2的刻蚀速率，并消耗掉部分C，使得等离子体中碳与氟的比例下降。

图8-5 所占百分比与Si和Si的 刻蚀速率的关系

(2)氢的作用

图8-6 所占百分比与Si和Si刻速率的关系

(3)反应气体 在目前的半导体刻蚀制备中，大多数的干法刻蚀都采用CHF3与氯气所混合的等离子体来进行SiO2的刻蚀。2.氮化硅(Si3N4)的干法刻蚀

图8-7 圆筒形结构示意图 8.3.2 多晶硅膜的刻蚀

在MOS器件中，栅极部分起着核心的作用，因此栅极的宽度需要严格控制，因为它代表了MOS器件的沟道长度，从而与MOS器件的特性息息相关。因此，多晶硅的刻蚀必须严格地将掩膜上的图形转移到多晶硅薄膜上。此外，刻蚀后的轮廓也很重要，如栅极多晶硅刻蚀后侧壁有倾斜时，将会遮蔽源极和漏极的离子分布，造成杂质分布不均匀，通道的长度将随倾斜程度的不同而改变。同时，刻蚀时要求Si对SiO2的选择性要高，如果多晶硅覆盖在很薄（小于20nm）的栅极氧化层上，如果氧化层被穿透，氧化层下面的源—漏极间的Si将很快被刻蚀。因此，若采用CF4、CF6等氟离子为主的等离子体来刻蚀多晶硅，则不太合适，较低的选择比会对器件造成损坏。

除此之外，此类气体还具有负载效应，负载效应是指当被刻蚀的材料裸露在等离子体中的面积较大的刻蚀速率比面积小的慢，也就是局部腐蚀速率不均匀。8.3.3 金属的干法刻蚀

金属铝是目前半导体器件及集成电路制造中应用最多的导电材料。因为铝的导电性能良好，价格低廉，而且铝膜的淀积和刻蚀都比较方便，所以铝电极几乎占了所有半导体器件及集成电路中的导电体。但是，随着元器件的集成度和工艺的进一步提高，采用金属铝作为电极引线也遇到了困难。这是由于在高温下，硅原子和铝原子容易向彼此间扩散，从而产生被称为“尖刺”的现象，导致铝引线与MOS管接触不好。此外，当铝线线条宽度设计得十分细小时，由于“电迁移”现象，引发铝原子的移动，使得铝丝断开。因此，后来，人们采用铜线来取代铝线，也有采用铝⁃硅⁃铜合金来代替金属铝。但是，铝还是目前集成电路和半导体器件中主流的导电引线。1.铝的刻蚀 2.铝合金的刻蚀

1)将晶圆以大量的去离子水清洗。2)刻蚀之后，晶圆还在真空中时以氧气等离子体将掩膜去除并在铝合金表面形成氧化层来保护铝合金。

3)在晶圆移出刻蚀腔前，以氟化物的等离子体做表面处理，如CF4、CHF3，将残留的氯置换成氟，形成AlF3,或在铝合金表面形成一层聚合物来隔离铝合金与氯的接触。3.钨的回蚀 4.铜的腐蚀

8.3.4 光刻胶的去除

晶圆表面薄膜材料腐蚀完毕，必须将光刻胶去除掉，这一工序称为去胶。常用的去胶方法有溶剂去胶、氧化去胶和等离子体去胶。下面分别加以阐述。1.溶剂去胶 2.氧化去胶 3.等离子体去胶

图8-8 等离子体去胶设备示意图

1)系统真空度要达到3×12-2Torr(1Torr=133.322Pa)，然后通入氧气，并用针型阀门调节流量。2)高频信号源的频率是11~12MHz，输出功率为150~200W。3)通入氧气的流量

8.4 干法刻蚀的质量控制 分析光学放射原理

图8-9 光学放射频谱 1.光学放射频谱分析 2.激光干涉测量

图8-10 激光干涉测量图形

1)激光束要聚焦在晶圆的被刻蚀区，且该区域的面积应足够大。2)必须对准在该区域上，因而增加了设备镜片的设计难度。8.4 干法刻蚀的质量控制

3)被激光照射的区域温度升高而影响刻蚀速率，造成刻蚀速率与不受激光照射区域的不同。4)如果被刻蚀的表面粗糙不平，则所测得的信号将很弱。3.质谱分析

1)部分物质的质量/电荷比相同，如N2、CO、Si等，使得检测同时拥有这些成分的刻蚀时无法判断刻蚀是否完成。

2)从空腔取样的结果会影响刻蚀终点的检测。3)设备不容易安装到各种刻蚀机上。【作业布置】

【课后分析】

第五篇：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