九年級(jí)物理《半導(dǎo)體》文字素材2 滬科版

1、滬科九下19.2 半導(dǎo)體教學(xué)設(shè)計(jì)1教學(xué)參考半導(dǎo)體和半導(dǎo)體二極管(1)半導(dǎo)體我們知道，容易導(dǎo)電的物體叫做導(dǎo)體，不容易導(dǎo)電的物體叫做絕緣體。其實(shí)，導(dǎo)體和絕緣體之間的界限。絕緣體并非絕對(duì)不導(dǎo)電，只是絕緣體的電阻率很大。在室溫下，金屬導(dǎo)體的電阻率一般約為10-810-6 ·m ，絕緣體的電阻率一般約為1081018·m。如果給長(zhǎng)為lm、橫截面積為1×10-4m2的一段絕緣體兩端加上1V電壓，通過(guò)的電流僅為10-1410-4A。有些材料，它們的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而且電阻不隨溫度的增加而增加，反而隨溫度的增加而減少，這種材料叫做半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的電阻率約為10-51

2、06 ·m。鍺、硅、砷化鎵、銻化銦等都是半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能可以由外界條件所控制，如改變半導(dǎo)體的溫度，使半導(dǎo)體受到光照，在半導(dǎo)體中加入其它微量雜質(zhì)，都可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能成百萬(wàn)倍地發(fā)生變化。這種性能是導(dǎo)體和絕緣體所沒(méi)有的。正因?yàn)榘雽?dǎo)體具有這種特性，人們用半導(dǎo)體制成了熱敏電阻、光敏電阻、晶體管等各種電子組件，并且發(fā)展成為集成電路。把晶體管以及電阻、電容等組件，同時(shí)制作在很小的一塊半導(dǎo)體芯片上，并且把它們按照電子線路的要求連接起來(lái)，使之成為具有一定功能的電路，這就是集成電路。在超大規(guī)模集成電路中，在面積比小拇指的指甲還小的一塊半導(dǎo)體芯片上可以集成上百萬(wàn)個(gè)電子組件。集成電路的制成

3、開(kāi)辟了微電子技術(shù)的時(shí)代。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，使電子計(jì)算機(jī)得以更新?lián)Q代。20世紀(jì)40年代人類發(fā)明的第一臺(tái)龐大的電子計(jì)算機(jī)重約30t，發(fā)展成為今天日益普及的個(gè)人計(jì)算機(jī)，可以隨身攜帶。個(gè)人計(jì)算機(jī)中的處理器(包括運(yùn)算器和控制器)、內(nèi)存都是由大規(guī)模集成電路的。半導(dǎo)體在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮了重要的作用。(2)半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管PN結(jié)的形成N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子，P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴(靠空穴導(dǎo)電，空穴的正向移動(dòng)等效于正電荷的移動(dòng))。把N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起后，N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子電子將向P型半導(dǎo)體一邊擴(kuò)散，P型半導(dǎo)體的空穴將向N型半導(dǎo)體一邊擴(kuò)散。其結(jié)果是使N型和P型半導(dǎo)體的交界面兩

4、側(cè)形成帶電薄層A和B，且A帶正電，B帶負(fù)電。產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，如右圖所示。這個(gè)電場(chǎng)，阻礙P型半導(dǎo)體內(nèi)的空穴和N型半導(dǎo)體的電子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。開(kāi)初，這個(gè)電場(chǎng)較弱，阻礙作用較??；隨著擴(kuò)散的繼續(xù)，這個(gè)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，A、B薄層的厚度不斷增加，使擴(kuò)散逐漸減弱；最后達(dá)平衡時(shí)，這個(gè)電場(chǎng)的大小不再增加，薄層的厚度也不再變，這就是PN結(jié)，又叫阻擋層。PN結(jié)是半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu)。從P、N型半導(dǎo)體的兩端各接出引線，把P型端(二極管的正極)接在電池正極上，N型端(二極管的負(fù)極)接在電池負(fù)極上，這叫給二極管加上正向電壓，二極管中的電流較大。因?yàn)橥饧拥恼螂妷?，在PN結(jié)中產(chǎn)生的電場(chǎng)與PN結(jié)原來(lái)存在的電場(chǎng)方向相反，如右圖甲所示

5、，而且外加電場(chǎng)比PN結(jié)電場(chǎng)大。這兩個(gè)電場(chǎng)迭加后的電場(chǎng)是由P端指向N端的，使PN結(jié)電場(chǎng)削弱，阻擋層厚度減小，電阻也就減小了。P型端的空穴和N型端的電子在外加電場(chǎng)作用下不斷地移向交界處，通過(guò)交界面形成電流。隨著外加的正向電壓增大，PN結(jié)中外加電場(chǎng)變得更強(qiáng)，進(jìn)一步減弱PN結(jié)原來(lái)的電場(chǎng)，電阻更減小，所以正向電流隨著外加的正向電壓增加而迅速增大。其正向電流隨電壓變化的伏安特性曲線如右圖所示。甲阻擋層變薄當(dāng)把P型端接電池負(fù)極上，N型端接電池正極，即給二極管加上反向電壓，這時(shí)二極管中的電流很小。因?yàn)橥饧拥姆聪螂妷旱碾妶?chǎng)與PN結(jié)產(chǎn)生的電場(chǎng)與PN結(jié)電場(chǎng)方向相同，如上圖乙所示。兩個(gè)電場(chǎng)迭加的結(jié)果，加強(qiáng)了阻止空穴和

6、電子通過(guò)接口形成電流的作用，阻擋層厚度增加，電阻變得很大，所以電流很小。不同半導(dǎo)體材料和不同結(jié)構(gòu)、工藝制成的半導(dǎo)體二極管，其伏安特性曲線是有差異的，正向電流隨正向電壓上升的快慢程度，各不相同，但伏安特性曲線的基本形狀是相似的。常用半導(dǎo)體二極管介紹半導(dǎo)體二極管是用半導(dǎo)體晶體材料制成的，所以又稱晶體二極管。半導(dǎo)體器件中，第一個(gè)應(yīng)用到電子線路中的是半導(dǎo)體二極管。它是具有一個(gè)PN結(jié)的非線性組件。半導(dǎo)體二極管的兩個(gè)電極之間的正反向電阻和反向電阻相差很大，所以，它具有單向?qū)щ娦?。半?dǎo)體二極管可以用在檢波器、鑒頻器和整流電路中，也可以用在其它電路中。半導(dǎo)體二極管在收音機(jī)、錄音機(jī)、電視機(jī)和其它家用電器中以及各

7、種電子儀器設(shè)備中，都是不可缺少的組件。半導(dǎo)體二極管的體積很小。由于半導(dǎo)體二極管本身不需要供電就可以接入電路工作。這就省掉了許多組件，簡(jiǎn)化了電路，從而縮小了整機(jī)體積。半導(dǎo)體二極管種類、型號(hào)很多。常見(jiàn)的幾種半導(dǎo)體二極管的外形如圖所示。圖上方是半導(dǎo)體二極管的符號(hào)，符號(hào)上箭頭的指向表示允許電流通過(guò)的方向。圖中a為玻璃管封裝型，b為塑料封裝型，c為金屬封裝型，d為大型金屬封裝管，它可以直接用螺母固定在線路板上。半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)工藝上有點(diǎn)接觸型、面接觸型之分。一般來(lái)說(shuō)，點(diǎn)接觸型適合用小信號(hào)電路，用在頻率比較高，但允許通過(guò)的電流較小。面接觸型允許通過(guò)的大電流，主要作大功率整流管。半導(dǎo)體二極管按材料來(lái)分有鍺

8、二極管和硅二極管兩大類。半導(dǎo)體二極管有兩根引線，分正極和負(fù)極。小型管可以焊接在印刷板上；而大型管只有一個(gè)引出焊接端，另一極與螺絲相通。根據(jù)用途不同常用二極管可分下列幾類：普通二極管：用在檢波、鑒頻、限幅和其它小電流整流電路中。如2APl2AP9(鍺管)2CPl2CP20(硅管)等。整流二極管：用在電源設(shè)備的整流電路中。如2CZll2CZ27(硅管)等。穩(wěn)壓二極管：用在電源供給電路中，穩(wěn)定電壓值。如2CWl2CWl0(硅管)等。開(kāi)關(guān)二極管：用在快速變換的開(kāi)關(guān)電路、脈沖電路及超高頻電路中。如2AKl2AK(鍺管)等。發(fā)光二極管：主要用作指示燈。它具有體積小，工作電壓低，工作電流小，發(fā)光均勻穩(wěn)定響應(yīng)

9、速度快，以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦园雽?dǎo)體二極管的這種特性，可用前面所述的二極管伏安特性曲線來(lái)進(jìn)一步描述。如右圖所示，圖中的坐標(biāo)O點(diǎn)，表示當(dāng)二極管兩端不加電壓時(shí)，沒(méi)有電流通過(guò)。當(dāng)二極管加上正向電壓時(shí)，就有正向電流通過(guò)。圖中的OA段較平坦，說(shuō)明這一段范圍內(nèi)，隨正向電壓增加二極管電流增加甚微。AB段曲線很陡，電流與電壓的關(guān)系近似直線關(guān)系。對(duì)應(yīng)于B點(diǎn)的電流IF叫做二極管的額定工作電流，或稱最大整流電流。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果電流超過(guò)額定值IF，二極管發(fā)熱太多，一旦超過(guò)額定溫度(一般規(guī)定硅管為1400C)，PN結(jié)就會(huì)燒毀。B點(diǎn)的電壓UF為二極管額定電流時(shí)的正向管壓降。當(dāng)二極管加上反向電壓時(shí)，

10、PN結(jié)阻擋層厚度加寬，二極管呈現(xiàn)很大的反向電阻，即處于截止?fàn)顟B(tài)。但在反向電壓作用下，仍會(huì)有很小的反向電流，只不過(guò)由于載流的數(shù)量有限，反向電壓雖有增加，反向電流幾乎不變，如圖中OC段曲線所示。反向電流IR可叫做反向飽和電流，反向飽和電流大則說(shuō)明二極管的單向?qū)щ娦阅懿?。顯然，反向飽和電流越小越好，一般硅二極管約在幾十微安以下，鍺二極管約幾百微安。反向飽和電流受溫度影響也極大，它隨溫度升高而急劇增加。當(dāng)二極管反向電壓超過(guò)UR，如圖中c點(diǎn)所示，反向電流急劇增大，二極管被反向擊穿，UR叫反向擊穿電壓。反向擊穿電壓也和環(huán)境溫度關(guān)系極大，隨溫度升高，反向擊穿電壓將降低。額定電流IF，正向管壓降UF，反向飽和

11、電流IR和反向擊穿電壓UR是二極管的四個(gè)最基本的參數(shù)都可從半導(dǎo)體手冊(cè)中查到，在使用二極管時(shí)，IF和UF都應(yīng)留有余量。太陽(yáng)電池與“風(fēng)云一號(hào)”氣象衛(wèi)星太陽(yáng)電池是半導(dǎo)體材料典型應(yīng)用之一。太陽(yáng)電池是利用“當(dāng)光照射到某些半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生電流”的特性制成功的。它是一種不用燃料、不污染環(huán)境、對(duì)人體健康無(wú)害的電源。在大多數(shù)人造衛(wèi)星上，都以太陽(yáng)電池為主電源，以鎘一鎳電池作為儲(chǔ)能電源。當(dāng)衛(wèi)星飛到對(duì)著太陽(yáng)一面時(shí)，用太陽(yáng)電池供給衛(wèi)星使用的電能，并給鎘一鎳電池充電；當(dāng)衛(wèi)星飛到背著太陽(yáng)一面時(shí)，太陽(yáng)電池不能工作，此時(shí)的衛(wèi)星便使用鎘一鎳電池供電。氣象衛(wèi)星是通過(guò)其攜帶的儀器裝置進(jìn)行氣象觀察和氣象通信的衛(wèi)星，按其軌道分為兩種：一種是極軌氣象衛(wèi)星，一種是靜止氣象衛(wèi)星。極軌氣象衛(wèi)星，是近極地太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星的簡(jiǎn)稱。極軌，是指衛(wèi)星運(yùn)行軌道通過(guò)地球南、北極地區(qū)。一顆極軌衛(wèi)星，12h即可觀察全球一遍。靜止衛(wèi)星指的是衛(wèi)星位于赤道上空36×104km處，24h繞地球一周，與地面相對(duì)靜止。我國(guó)1988年9月7日用“長(zhǎng)征4號(hào)”運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的第一顆氣象衛(wèi)星“風(fēng)云一號(hào)”是極軌衛(wèi)星?！帮L(fēng)云一號(hào)”氣象衛(wèi)星質(zhì)量近u，本體是一個(gè)六面體，星體兩側(cè)分別裝有三塊太陽(yáng)電