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半导体与PN结半导体是一种能够在特定条件下实现电流传导的材料。
它具有介于导体（如金属）和绝缘体（如陶瓷）之间的特性，因此在电子学和光电学等领域中得到广泛应用。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一，它由P型半导体与N型半导体通过界面相衔接而成。
本文将介绍半导体的基本概念和PN结的原理及应用。
一、半导体简介半导体是一类电阻介于导体与绝缘体之间的材料。
它的导电性能取决于其晶体结构和杂质掺入情况。
半导体原子晶格中的原子数量相对较少，所以其导电性能要低于金属。
然而，当半导体材料中掺入杂质时，可以改变原子晶格结构，从而显著提高其导电性能。
ii、PN结原理1. N型半导体N型半导体是指在原本的半导体晶格中掺入III族元素，如砷、磷等，这些元素通常通过共价键结合到晶格中。
III族元素的每个原子都多出一个电子，这些自由电子可自由移动，并对电导起到贡献。
2.P型半导体P型半导体是指在原本的半导体晶格中掺入V族元素，如硼、铝等，这些元素通常通过缺电子的共价键结合到晶格中。
V族元素的每个原子都缺少一个电子，这导致形成了空穴，可在半导体中自由移动。
3. PN结的形成当P型半导体与N型半导体通过界面连接时，便形成了PN结。
在P区域中，电子浓度较低，而空穴浓度较高；相反，在N区域中，电子浓度较高，空穴浓度较低。
4. PN结的特性PN结具有整流特性，即在外加电压的作用下，只允许有一个方向的电流通过。
当外加正向电压时，电子从N区域向P区域扩散，同时空穴从P区域向N区域扩散，形成电流。
然而，当外加反向电压时，由于形成的电场阻止了电荷载流子的移动，电流基本上不会通过PN结。
5. PN结的应用PN结是半导体器件中最基本的结构之一，广泛应用于电子学和光电学领域中。
最常见的PN结器件是二极管，它能够实现整流功能。
此外，PN结还用于构建其他重要的器件，如三极管、场效应管和光电二极管等。
结论半导体作为一种能够在特定条件下实现电流传导的材料，具有重要的应用价值。
半导体的导电性质与PN结的应用半导体是一类电子导电性介于导体与绝缘体之间的材料。
它的导电性质与其内部结构及杂质掺入情况密切相关。
在半导体中，导电主要依靠载流子的运动，而载流子分为带负电的电子和带正电的空穴。
本文将探讨半导体的导电性质以及PN结的应用。
一、半导体的导电性质半导体的导电性质与其能带结构密切相关。
能带是指材料中电子能量的分布情况。
半导体中常见的能带有价带和导带。
价带上的电子几乎全部被占据，而导带则几乎没有电子。
两者之间的能量间隙称为禁带宽度。
当材料处于室温时，通常情况下，半导体的禁带宽度为0.5到2.5电子伏特。
在纯净的半导体中，导电主要是通过热激发产生的。
在室温下，一小部分由于热运动而获得足够能量的电子可以从价带跃迁到导带中，形成载流子。
这些载流子在晶格中自由移动，从而导致了半导体的导电性。
此时，半导体的导电性主要是由自由电子和自由空穴的运动贡献的。
二、PN结的应用PN结是由P型半导体和N型半导体通过熔化或扩散等方式形成的结构。
PN结的形成不仅改变了半导体的导电性质，还引发了许多重要的应用。
1. 整流器PN结具有整流特性，即在外加正向电压下，电流可以顺利通过；而在反向电压下，电流几乎无法通过。
这使得PN结成为整流器的关键组件。
利用这一特性，我们可以将交流电转换为直流电，满足各种电子设备的需求。
2. 发光二极管（LED）发光二极管是一种重要的光电器件，广泛应用于照明、指示和显示等领域。
LED利用PN结中的电流-电压特性，使得电流通过时，电子与空穴结合，从而产生光辐射。
通过选择不同的材料和控制电流，可以实现不同颜色和亮度的光发射。
3. 太阳能电池太阳能电池利用光的能量将其转换为电能的装置。
其中，PN结起到了关键作用。
在太阳能电池中，N型半导体与P型半导体之间形成的PN结承担了光吸收和电荷分离的功能。
当光照射到PN结上时，光子的能量被吸收，并促使电子从价带跃迁到导带，形成电流。
4. 反向恒流源PN结的反向击穿特性使得它可以用作反向恒流源。
半导体与PN结高中一年级物理科目教案一、教学目标1.了解半导体的基本概念，并理解其在电子器件中的重要性；2.掌握PN结的特性和应用；3.能够通过实例理解半导体和PN结在实际应用中的作用。
二、教学内容1.半导体的基本概念A.半导体的定义和分类B.半导体材料的特性2.PN结的特性和应用A.PN结的构成和形成B.PN结的电流特性C.PN结的应用实例三、教学过程一、半导体的基本概念A.半导体的定义和分类半导体是介于导体和绝缘体之间的材料。
根据能带结构，半导体可分为本征半导体和掺杂半导体。
B.半导体材料的特性1.能带结构：带隙大小决定了半导体的导电性质。
2.载流子：自由电子和空穴是半导体中的主要载流子。
3.掺杂：通过掺杂可以改变半导体的导电性质。
二、PN结的特性和应用A.PN结的构成和形成PN结由n型半导体和p型半导体的结合而成。
n型半导体中导电主要靠自由电子，p型半导体中导电主要靠空穴。
B.PN结的电流特性1.正向偏置：当PN结正向偏置时，电子从n区域进入p区域，空穴从p区域进入n区域，形成电流。
2.反向偏置：当PN结反向偏置时，由于扩散效应，形成反向漏电流。
C.PN结的应用实例1.二极管：利用PN结的单向导电性质，实现电流的整流。
2.太阳能电池：光照射到PN结上产生光生载流子，形成电流。
3.LED：利用PN结的正向偏置，通过复合效应产生辐射，发光。
三、实例分析举例说明PN结在实际应用中的作用。
例1：二极管在电子电路中的应用二极管作为一种基本电子元器件，广泛应用于电源、信号检测和整流等电路中。
以整流为例，当交流电信号经过二极管时，由于二极管的单向导电性，只有正半个周期的信号能够通过，实现了交流电向直流电的转换。
例2：太阳能电池的工作原理太阳能电池利用PN结的光生载流子效应，将光能转化为电能。
当太阳光射到太阳能电池上时，光子被吸收，产生电子-空穴对。
由于PN结的内建电场，形成电流。
例3：LED的发光原理LED（Light Emitting Diode）利用PN结的正向偏置和复合效应实现发光。
65SZ0：MOV P0，#3FH ；显示数字0。
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DELAY10MS ：MOV R7，#20 ；从本行开始，到RET 结束，为10MS 延时去抖子程序。
D1：MOV R6，#250D2：DJNZ R6，D2DJNZ R7，D1RET END四、制作步骤第一步：按照电路原理图，列出器件清单，并购买相应的器件材料，正常的价格是20元以内。
第二步：焊接成电路板，具体步骤可以参考前面几期的文章。
第三步：使用Keil C51 uVision2 编辑源程序，编译源代码并生成目标程序代码。
再把目标程序代码通过编程器写入到单片机芯片中。
第四步：把单片机芯片插到“八路键控数码管电路”的紧锁坐上，并通电、测试、观察结果。
按下S0到S7号按键时，数码管显示立刻显示数字0到7。
如果同时按下2个按键，只会显示编号小的数字。
例如：如同时按下S5和S6，只会显示按键编号为S5对应的数字“5”，而不会显示数字“6”。
本功能的实现是为了以后我们制作八路抢答器，实践当中不会出现同时按下多个按键的可能性，总会有时间差异的。
电子器件是电子电路的核心，电子器件的发展被分为三个历史阶段：电子管时代、晶体管时代和集成电路时代。
晶体管和集成电路的制作材料都是半导体，如硅、锗、砷化镓等。
半导体材料的特性很奇特，正是这些特性使它成为电子工业不可缺少的重要资源。
所以，在介绍电子器件之前，我们必须先认识一下半导体。
一、什么是半导体大家知道，有一类材料的导电能力特别强，如金、银、铜、铝、铁等金属材料。
这些材料在元素周期表上是1价、2价（或3价）的元素，从原子结构上看，构成这些材料的原子最外层的电子数目比较少，只有1个或2个。
在常温下，外层电子很半导体与PN结2010 VOL.0566容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，所以这些材料的内部有大量的自由电子存在。
若在它两端加上一定电压，大量电子就会定向移动形成极大的电流。
我们把这一类材料统称为导体，把形成电流的可自由移动的带电粒子称为载流子，自由电子就是载流子。
从外特性上看，导体的电阻率很小，一般都小于 。
电线、开关、插座、印刷电路板等里面都有导体材料。
另有一类材料，它们的导电能力极差，如玻璃、塑料、木材、棉布等等。
因为这些材料的原子结构都非常稳定，内部几乎没有自由电子，即使在它两端加上比较大的电压，内部也没有（或只有极少）载流子流动，从外部特性看，就是不能导电，这一类材料统称为绝缘体。
绝缘体的电阻率极大，通常都大于 。
因为绝缘体不会导电，可以被制作成电线胶皮、开关盒、仪器面板、控制旋钮等等，它的不导电性保证了我们在用电过程中不会触电，不会相互短路。
此外还有相当一部分材料，它们可以导电，但导电能力比起导体要差得多。
它们是不良的导体，但它们又不是绝缘体。
我们把导电能力介于导体和绝缘体之间的这一类材料统称为半导体。
从制作半导体器件这个目标来看，硅（Si）和锗(Ge)是目前使用最多、性能最好的半导体材料。
用来制作晶体管或集成电路的硅和锗原材料都必须是高纯度的，一般纯度都要达到6个9以上。
这类不含杂质的半导体材料，称为本征半导体。
从导电能力上来考虑，用半导体制作电线不行，因为它的导电能力不够好，作电线外皮也不行，因为它能会漏电，不安全。
那么半导体是毫无用处了？不，它能用在导体、绝缘体做不到的地方,因为它有如下特性:△热敏性：随着环境温度的变化，它的导电能力变化很大。
△光敏性：受到光照时，有的半导体电阻率迅速降低。
△掺杂特性：掺入少量杂质使金属电阻略增大，使绝缘体略下降，而在半导体中，掺入少量的特定杂质那怕只是几十万分之一的特定杂质，电阻率就可能下降到原来的几百分之一。
△PN 结单向导电，这是所有晶体管的基础。
半导体为什么会出现这些特性呢？这与半导体材料的原子结构特点有密切关系。
二、本征半导体结构特点我们知道，硅和锗都是4价元素，从原子结构上看，它的原子最外层电子都是4个，并以共价键的形式与周围4个原子紧密结合，形成比较稳定的晶体结构。
图1(a)是半导体结构示意图。
图1（a）图1（b）4价元素的原子核对最外层电子的束缚力虽说不是很强，但也不弱。
在常温条件下，只有极个别能量较大的外层电子可以挣脱原子核的束缚成为自由电子，形成如图1（b）的状态，这种现象叫本征激发。
由于本征激发，当一个电子从共价键中释放出来成为自由电子之后，这个共价键就因为缺少电子而留下一个空位，这个空位被称作“空穴”。
显然由本征激发而产生的空穴在数量上与自由电子的数量总是相等的，总是成对出现的，通常被称作“电子空穴对”。
在常温下，电子空穴对的数量是极少的。
自由电子在半导体材料内部是可以自由移动67的，带一个负电荷。
“空穴”就像水中的气泡，也可自由移动的。
因为空穴就是晶格中少一个电子，电子是一个负电荷的，-（-e）=+e，所以空穴是带一个正电荷的。
电子和空穴都是载流子，在电场作用下，通过半导体的总电流应该等于自由电子流与空穴流的总和。
由于本征激发而产生的自由电子和空穴数量有限，所以在常温下半导体内部的载流子总数极少，表现为导电能力很差。
当环境温度升高时，外层电子得到了能量，于是有更多处于外层的价电子能够克服原子核的束缚而成为自由电子，并出现了相应数量的空穴，半导体材料内部的载流子数量明显增多，所以导电能力随之提高了。
光的波长越短，当光子的能量足够大时激发半导体的电子空穴对，增加半导体中的载流子，导电能力就提高。
那么为什么半导体会有掺杂特性呢？掺杂后的半导体又会产生哪些新的特点呢？三、P型半导体和N型半导体现在我们在本征半导体中掺入杂质：假设我们在本征半导体锗中掺入微量的特定杂质——三价元素铟，铟原子将替代了锗晶体中某些锗原子的位置。
由于铟的价电子只有三个，掺入后，它的三个价电子分别和相邻的三个锗原子的价电子组成共价键，那么第四个共价键必然缺少一个电子，这就留下了一个空穴。
图2是掺杂后结构状态的平面示意图，可以帮助大家理解空穴的产生。
其中浅色圈代表锗原子，深色圈代表铟原子。
显然，只需掺入一个铟原子，就会出现一个空穴。
尽管掺入的杂质铟是微量的，但是其激发的空穴大大超过本征半导体中的电子空穴对，使空穴总数量大大增加。
所以它的导电能力大大提高。
导电能力随掺杂量大而增大。
这种掺杂半导体中我们称之为P 型半导体。
如果我们在本征半导体锗中掺入微量的五价元素磷，情况有什么变化呢？磷原子会替代锗晶体中某些锗原子的位置。
由于磷的价电子有五个，掺入后，它的四个价电子分别和相邻的四个锗原子的价电子组成4个共价键，结果还有多余一个电子，这个电子将成为自由电子。
图3是掺杂后结构状态的平面示意图，可以帮助大家理解自由电子的产生。
其中浅色圈代表锗原子，深色圈代表磷原子。
图2图3同样磷元素贡献的自由电子大大超过本征的电子空穴对，形成N 型半导体。
由此得出如下结论：（1）在本征半导体中加入微量的3价元素，就得到P 型半导体，内部载流子数量大大增加，且多数载流子是空穴，还有少数载流子自由电子；（2）在本征半导体中加入微量的5价元素，就得到N 型半导体，内部载流子数量大大增加，且多数载流子是自由电子，还有少数载流子空穴；P 型半导体和N 型半导体都是掺杂半导体，导电能力都比本征半导体要强得多。
杂质浓度越大，载流子数量就越多，导电能力越强。
但这并不是我们制作掺杂半导体的主要目的，让P 型半导休和N 型半导体紧密联接在一起而形成一个有特殊性能的“PN 结” ，二极管，三极管，集成电路都是建立在PN 结基础上。
2010 VOL.0568四、奇妙的PN结1.PN结是什么在一片本征半导体的左侧加入3价元素，右侧加入5价元素，就形成如图4所示意的P、N 型共存的一片半导体。
左侧是P 型半导体，内部有大量空穴载流子；右侧是N 型半导体，内部有大量电子载流子。
图4这时，在P、N 型半导体的交界面上会出现一系列变化：（1）由于两区域的载流子浓度差别很大，所以N 区界面的大量电子迅速向P 区扩散，与P 区界面的空穴复合；P 区的空穴也向N 区扩散，并与N 区的电子复合，因此，在交界面形成了一个没有载流子的薄层。
N 区界面因为失去电子而出现带正电的离子层，P 区界面因为得到电子而出现带负电的离子层。
于是在界面出现一个由N 区指向P 区的电场，我们称它“内电场”，或者称它“空间电荷区”。
图5是这一过程的示意图。
图5（2）随着扩散的继续，从N 区扩散到P 区的电子数量和从P 区扩散到N 区的空穴数量越来越多，内电场就越来越强，空间电荷区也变得更厚了。
（3）但是扩散不会一直进行下去。
这是因为内电场的出现，使N 区的多数载流子自由电子穿过空间电荷区时受到内电场的阻力，P 区的多数载流子空穴穿过空间电荷区时也会受到内电场的阻力，所以，继续扩散受到了很大限制。
当扩散进行到某一程度后，内电场对运动中的载流子所产生的阻力已经完全阻止了扩散的继续，这时，空间电荷区达到一个相对稳定（动态平衡）的状态，内电场的强度也相对稳定下来。
我们就将这个相对稳定的空间电荷区叫作“PN 结”，如图6所示。
图6综上所述，我们可以得出如下结论：PN 结是P 型半导体和N 型半导体结合在一起时，在界面处出现的空间电荷区。
由于扩散现象，在这个区域内已经没有载流子，但存在由N 区指向P 区的内电场，内电场阻止了多数载流子的继续扩散。
由于内电场的存在，使PN 结两侧出现电势差，也称位垒。
经过实验分析，发现硅材料形成的PN 结，位垒在0.5V 左右，锗材料形成的PN 结，位垒在0.2V 左右。
2.PN结的单向导电性如果从PN 结的P 区和N 区各引出一个电极，从外部接入电阻、电流表和电池，如图7（a）所示，且P 区与电池正极相连。
我们发现电流表有较大幅度的偏转，表示有一定电流流经PN 结，电流的方向是从P 区流向N 区。
