半导体与PN结教案

课程 授课时间 授课地点 模拟电子技术基础 10 综B 章节 授课教师 授课班级 PN结及其单向导电性 尹金兴 05机电工程 教学目的 撑握PN结的形成及其单向导电性的原理。 与要求 重点 难点 学会用原子结构理论分析PN结的形成及其单向导电性的原理 PN结的形成及其单向导电性的原理分析。 授课类型 讲授课 教学进程和时间分配表 序号 １ 2 3 4 5 6 教学内容 组织教学 复习旧课引入新课 讲授新知识 （1）、PN结的形成 （2）、PN结的单向导电性 实验验证 知识回顾与提问（巩固所学知识） 布置作业 时间分配 2＂ 3＂ 28＂ 6＂ 5＂ 1＂ 教学方法 讲解、 演示、 提问、 实验观察 课后记要 电子技术课程比较抽象，应加强学生实验，增强直观性，同时也可培养学生的动手操作能力。 备注 本课程为电工、电子专业技术理论课。 教师的活动 教学内容和序列 学生的活动 - 1 -

导入教学 （3分钟） （配以相应的图片加以说明） （启发学生思考） 讲授新课 （36分钟） 教师的活动 复习半导体的基本知识： 通过上次课的讲解，我们知道：按杂质半导体中掺入杂质性质的不同，它可分为电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体两大类。 （1）、N型半导体（电子型半导体）：在硅（或锗）本征半导体中掺入微量的五价元素，如磷（或锑）等，它就成为N型半导体，其自由电子为多数载流子（简称多子），而空穴称为少数载流子（简称少子），它的导电性主要取决于电子数。其晶体结构如下图所示： +4 +4 多余电子 硅 硅 +4 +5 硅 磷 硅 硅 N型硅半导体中的共价键结构 （2）、P型半导体（空穴型半导体）：在硅（或锗）本征半导体中掺入微量的三价元素，如硼（或铟）等，它就成为P型半导体，其空穴是多子，而电子是少子，它的导电性主要取决于空穴数。其晶体结构如下图所示： +4 +4 硅 硅 空穴 +4 +3 硅 硼 硅 硅 P型硅半导体中的共价键结构 提出问题：杂质半导体中的载流子的数量比本征半导体中的载流子的数量要多得多，导电性也要好得的多，但它的导电性仍不及导体，那么能有什么用途呢？ §1—2 PN结及其单向导电性 1、PN结的形成 （1）、什么是PN结呢？ （采用特殊的制作工艺，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，在两种半导体的交界处就会产生一个特殊的接触面，称之为PN结。它是构成半导体器件的基础，也是半导体获得广泛应用的原因。） 教学内容和序列 - 2 -

复习旧知识为下面的学习作好准备 产生疑问：半导体材料到底有什么用途 呢？ 学生的活动 （明确PN结的概念后，紧接着提出问题） （原理分析，配合多媒体演示讲解。） （通过上述分析与演示得出结论） （2）、那么PN结是怎样形成的呢？ 扩散运动：指电子和空穴从浓度高的地方向浓度低的地方运动。 复合：电子与空穴结合后同时消失的过程。 空间电荷区：由于扩散运动使电子与空穴复合以后，在P区与N区的交界面处留下不能移动带正电和带负电的离子的区域，称为空间电荷区，这就是PN结，在空间电荷区中不再存在载流子，因此PN结又叫耗尽层。 内电场ε内：空间电荷区中在正、负离子的作用下形成的电场，其方向由N区指向P区。内电场对多子的扩散起着阻挡作用，所以又称PN结为阻挡层。 漂移运动：半导体中的少数载流子在电场力的作用下的运动。 P型 N型 － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 电（电子本子－ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 征激空空－ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 发穴穴）对对－ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 空穴扩散方向 电子扩散方向 载流子的扩散运动 耗尽层 空间电P型区 N型区 荷区 － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 电（电 子本子－ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 征 空激空－ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 发穴穴 对）对－ － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ 内电场 ε PN结的形成 结论：刚开始时，扩散运动强于漂移运动，使空间电荷区不断加宽，内电场也随之增强，这又使漂移运动增强，空间电荷区变窄，最后当两种运动达到动态平衡时，内电场不再变化，空间电荷区的宽度稳定了（阻挡层的厚度保持不变），便形成了PN结。 2、PN结的单向导电性 （1）、外加正向电压时，PN结导通 —— —— 内产生疑问 观看演示 理解PN结的形成原理 积极回答老师的提问 教师的活动 教学内容和序列 学生的活动 - 3 -

（配合多媒体演示讲解。） （为说明上述理论分析的正确性，用实验进行验证） ①在PN结上加正向电压UF：外电源的正极与PN结的P区相连，负极与PN结的N区相连。UF又称正向偏置电压。 ②原理分析： 1）、外电场ε外的方向与内电场ε内的方向相反，削弱了内电场的作用，促使扩散运动增强，P区的多子（空穴）和N区的多子（电子）都向PN结移动。 2）、空间电荷区中一部分正负离子被扩散进来的电子和空穴中和，空间电荷量减少，结果使阻挡层变薄。 3）、在正向偏置电压UF的作用下，多子源源不断地通过PN结，而外接电源又对P区和N区不断地补充多子，形成了通过PN结的正向导通电流，用IF表示。此时PN结呈低阻状态，正向导通电阻RF较小。 4）、P区和N区的体电阻较小，UF几乎全降在PN结上，而PN结又呈低阻，所以UF的微小变化就会引起IF的较大的变化。 限流电阻 E ＋ － R UF IF P区 N区 ε ε 空间电荷区变窄 PN结加正向电压而导通 ③实验验证：外加正向电压时，PN结导通 （2）、外加反向电压时，PN结截止 ①在PN结上加反向电压UR：外电源的正极与PN结的N区相连，负极与PN结的P区相连。UR又称反向偏置电压。 ②原理分析： 1）、外电场ε外的方向与内电场ε内的方向同向， P区的多子（空穴）和N区的多子（电子）进一步离开PN结，使阻挡层加宽，此时PN结呈高阻状态，扩散运动产生的电流趋于零。 2）、反向电压虽然使多子不能通过PN结，它却使少子更容易通过PN结形成漂移电流（又称反向电流）IR，由于少子的数量非常少，所以IR很小，与UR的大小无关，故IR又称反向饱和电流。 内外 积极回答老师的提问 观看演示并思考 观察实验 教师的活动 教学内容和序列 学生的活动 - 4 -

（结合多媒体演示） （为说明上述理论分析的正确性，用实验进行验证） 知识回顾 （2分钟） 提问（点学生起来回答提问） （3分钟） 布置作业 （1分钟） 限流电阻 E － ＋ R UR IR P区 N区 ε ε 空间电荷区变宽 PN结加反向电压而截止 ③实验验证：外加反向电压时，PN结截止 小结：PN结加正向偏置电压就导通，加反向偏置电压就截止，这就是PN结的单向导电性。 本次课主要讲解了以下内容： （1）、什么是PN结呢？ （采用特殊的制作工艺，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，在两种半导体的交界处就会产生一个特殊的接触面，称之为PN结。 （2）、PN结的形成原理： 刚开始时，扩散运动强于漂移运动，使空间电荷区不断加宽，内电场也随之增强，这又使漂移运动增强，空间电荷区变窄，最后当两种运动达到动态平衡时，内电场不再变化，空间电荷区的宽度稳定了（阻挡层的厚度保持不变），便形成了PN结。 （3）、PN结的单向导电性：PN结加正向偏置电压就导通，加反向偏置电压就截止，这就是PN结的单向导电性。 1、什么叫扩散运动？什么叫漂移运动？ 2、PN结为什么具有单向导电性？ 习题册 第一章 第1—2节 内外 观看演示并思考 观察实验 记住这一结论 加深印象 大胆举手 板书设计

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课 题：§1—2 PN结及其单向导电性

重 点：理解掌握PN结的形成及其单向导电性的原理。 杂质半导体

N型半导体（电子型半导体）：自由电子为多子，空穴为少子。 P型半导体（空穴型半导体）：空穴为多子，自由电子为少子。 §1—2 PN结及其单向导电性 1、PN结的形成 （1）、什么是PN结呢？

采用特殊的制作工艺，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，在两种半导体的交界处就会产生一个特殊的接触面，称之为PN结。

（2）、那么PN结是怎样形成的呢？

扩散运动：指电子和空穴从浓度高的地方向浓度低的地方运动。 复合：电子与空穴结合后同时消失的过程。

漂移运动：半导体中的少数载流子在电场力的作用下的运动。 空间电荷区：由于扩散运动使电子与空穴复合以后，在P区与N区的交界面处留下不能移动带正电和带负电的离子的区域，称为空间电荷区，这就是PN结，在空间电荷区中不再存在载流子，因此PN结又叫耗尽层。 2、PN结的单向导电性

（1）、外加正向电压时，PN结导通 （2）、外加反向电压时，PN结截止

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课 题：§1—2 PN结及其单向导电性

重 点：理解掌握PN结的形成及其单向导电性的原理。 杂质半导体

N型半导体（电子型半导体）：自由电子为多子，空穴为少子。 P型半导体（空穴型半导体）：空穴为多子，自由电子为少子。 §1—2 PN结及其单向导电性 1、PN结的形成 （1）、什么是PN结呢？

采用特殊的制作工艺，将P型半导体和N型半导体紧密地结合在一起，在两种半导体的交界处就会产生一个特殊的接触面，称之为PN结。

（2）、那么PN结是怎样形成的呢？

扩散运动：指电子和空穴从浓度高的地方向浓度低的地方运动。 复合：电子与空穴结合后同时消失的过程。

漂移运动：半导体中的少数载流子在电场力的作用下的运动。 空间电荷区：由于扩散运动使电子与空穴复合以后，在P区与N区的交界面处留下不能移动带正电和带负电的离子的区域，称为空间电荷区，这就是PN结，在空间电荷区中不再存在载流子，因此PN结又叫耗尽层。 2、PN结的单向导电性

（1）、外加正向电压时，PN结导通 （2）、外加反向电压时，PN结截止

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