半导体及其应用

三半导体及其应用
【教学目标】
1、知识目标
(1)知道什么是半导体；
(2)了解半导体的导电特性及常见半导体材料；
(3)了解半导体的的应用。

2、能力目标
培养学生通过多种途径获取新知识的能力。

3、德育目标
通过介绍半导体集成电路和计算机等领域的应用，培养学生热爱科技的高尚品质。

【教学重点】
半导体的导电特性。

【教学难点】
半导体导电特性的应用。

【教学方法】
讲授法、实验法。

【教具准备】
演示用多用电表、热敏电阻、光敏电阻、火柴、手电筒。

【课时安排】
1课时
【教学过程】
一、导入新课
上节课我们学习了电阻定律，知道导体的电阻与导体的材料、横截面积、长度和温度等有关，且金属导体的电阻率随温度的升高而变大。

在实际中也有一些特殊材料，它们有一些独特的导电特点，这些材料有着较为广泛重要的用途。

本节课我们来学习这些材料的特点及其应用。

二、新课教学
1、半导体
问题：回忆初中学过的导体、绝缘体、半导体的概念。

容易导电的物体称为导体；
不容易导电的物体称为绝缘体；
导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称为半导体。

其实导体和绝缘体之间并没有绝对的界限，只是绝缘体的电阻率很大。

(1)半导体
导电性能介于导体和绝缘体之间，而且电阻不随温度的增加而增加，反随温度的增加而减小，这种材料称为半导体。

问题：列举几种常见的半导体材料。

锗、硅、砷化镓、锑化铟等都是半导体材料。

(简介半导体的自由电子－空穴对的导电机理，解释半导体的导电特性)
(2)从电阻率的观点认识导体、绝缘体、半导体
金属导体的电阻率约为10－8～10－6Ω·m
绝缘体的电阻率约为108～1018Ω·m
半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，约为10－5～106Ω·m
总结：导体的电阻率一般很小，绝缘体的电阻率一般很大。

2、半导体的导电特性
(1)半导体的热敏特性
演示：将半导体热敏电阻与演示用欧姆表串联，用燃烧的火柴靠近热敏电阻。

现象：开始时欧姆表指针指示电阻较大，用燃烧的火柴靠近热敏电阻时，其阻值急剧减小。

总结：有些半导体材料的电阻随温度升高而减小。

(温度升高，半导体中的自由电子－空穴对的数目增加，半导体的导电性能增强，电阻减小)
半导体材料的电阻随温度升高而减小，称为半导体的热敏特性。

巩固练习 如图所示，将多用电表的选择开关置于“欧姆”档，再将电表的两支表笔与负温度系数的热敏电阻R t 的两端相连，这时指针恰好指在刻度
盘的正中间。

若往R t 上擦一些酒精，指针将向________（填“左”或“右”）转动；若用电吹风机向R t 吹热风，指针将向________（填“左”或“右”）
转动。

(答案：左 右)
(2)半导体的光敏特性
演示：将光敏电阻与演示欧姆表串联，用手电筒照射光敏电阻。

现象：开始时欧姆表指针指示电阻较大，用手电筒照射光敏电阻时，其阻值急剧减小。

总结：有些半导体材料的电阻在光照下大大减小。

(受到光照后，半导体中的自由电子－空穴对的数目增加，半导体的导电性能增强，电阻减小)
半导体材料的电阻随光照而减小，称为半导体的光敏特性。

巩固练习
如图7所示，电路中电源两端的电压恒定，L 为小灯泡，R 为光敏电阻，D 为发光二极管(电流越大，发出的光越强)，且R 与D
相距不远，距离不变。

下列说法中正确的是( ) A ．当滑动触头P 左移时，L 消耗的功率增大
B ．当滑动触头P 左移时，L 消耗的功率减小
C ．当滑动触头P 右移时，L 消耗的功率可能不变
D ．无论怎样移动触头P ，L 消耗的功率都不变
(答案：A)
(3)半导体的掺杂特性
在纯净的半导体材料中掺入微量的杂质，会使它的电阻急剧变化，半导体的导电性能大大增强，称为半导体的掺杂特性。

(如果掺入3价杂质，每个杂质原子能提供一个空穴，半导体中将出现大量的空穴，与自由电子－空穴对一起形成导电微粒，半导体的导电性能增强，电阻减小；如果掺入5价杂质，每个杂质原子能提供一个自由电子，半导体中将出现大量的自由电子，与自由电
欧姆表
子－空穴对一起形成导电微粒，半导体的导电性能增强，电阻减小；)
3、半导体的应用及发展
半导体独特的导电特性是导体和绝缘体所没有的，所以半导体在现代技术中有重要的应用。

(1)利用半导体材料可以制成热敏电阻、光敏电阻、传感器、晶体二极管、晶体三极管等电子元件。

利用半导体的热敏特性，可以用半导体材料制成体积很小的热敏电阻，它能将温度变化转化为电信号，测量这种电信号，就可以知道温度变化的情况。

这种测量方法反应快，精度高。

利用半导体的光敏特性，可以用半导体材料制成体积很小的光敏电阻，它能将光信号转化为电信号。

光敏电阻可以起到开关的作用，在需要对光照有灵敏反应的自动控制设备中有广泛的应用。

利用半导体的掺杂特性，再加上特殊的制作工艺，人们制成了晶体二极管和晶体三极管。

晶体二极管和晶体三极管在电子线路中也有着较为广泛的用途。

(2)制成集成电路、超大规模集成电路，开辟了微电子技术的新时代。

将晶体管、电阻、电容等电子元件及相应的连线同时制作在一块面积很小的半导体晶片上，使这成为具有一定功能的电路，这就是集成电路。

在大规模集成电路中，在面积比小拇指的指甲还小的一块半导体晶片上可以集成上百万个电子元件。

集成电路的制成，开辟了微电子技术的时代。

(3)半导体的发展前景
人们还用半导体制成了半导体激光器、半导体太阳电池等，半导体在现代科学技术(放录像：介绍现代电子技术在教育、国防、科研、生活中的应用，激发学生的学习兴趣)
巩固练习
①家用电热灭蚊器中电热部分的主要部件是PTC元件，PTC
元件是由酞酸钡等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的
关系如图4所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、控温两
重功能，对此以下说法中正确的是( )
A．通电后其功率先增大后减小
B．通电后其功率先减小后增大
C．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1至
t2的某一值不变
D．当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1或t2不变
解析：根据PTC元件的电阻率随温度变化的曲线，可知在常温下，它的电阻是相当小的，通入电流以后，随着温度的升高，其电阻率先变小后增大，那么它的功率先变大，后变小，温度保持在在t1至t2的某一值不变，这时候电路处于稳定状态，如果温度再升高，电阻率变大，导致电流变小，温度就会降下来；如果温度降低，电阻率减小，导致电流变大，温度就会升上去，所以本题正确答案为：A、C。

②一般的电熨斗用合金丝作发热元件，合金丝电阻R随温度t变化的关系如图5所示的实线①，由于环境温度、熨烫衣服的厚度、干湿等情况不同，熨斗的散热功率不同，因而熨斗的温度可能会在较大的范围内波动，易损坏衣服。

有一种用主要成份为BaTiO3的称为“PTC”的特殊材料作发热元件的电熨斗，具有升
温快，能自动控制温度的特点，PTC材料的电阻随温度变化的关系如图中实线②所示。

(1)为什么原处于冷态的“PTC ”熨斗刚通电时，比普通
电熨斗升温快？ (2)通电一段时间后，电熨斗温度稳定在什么范围内？ (3)简析PTC 发热元件的自动控温过程。

解析：解答此题的关键是要看懂图中涉及的物理量的含义：
图线①说明合金的电阻基本上不随温度的变化而变化；图线②说明在较低的温度下，“PTC ”材料的电阻基本不变，但在某一温度范围内电阻会突变。

(1) 由图可知，冷态的“PTC ”材料的电熨斗电阻比一般电熨斗电阻小，所以发热功率P ＝U 2/R 较一般电熨斗大，所以在相同的时间内“PTC ”升温快。

(2)由图可知，温度自动稳定在t 6＜t ＜t 8范围内。

(3 )当熨斗温度升高到t 6后，“PTC ”材料的电阻急剧增大，电功率变小，此时如果散热功率大于电功率，熨斗温度会下降，当温度降低时，电阻R 急剧减小，电功率增大，温度又升高……，因而熨斗的温度能稳定在一定的范围内。

③如图所示，为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图。

箱内的电阻R 1＝20k Ω，R ,2＝10k Ω，R 3＝40k Ω，R t 为热敏电阻，它的电阻随温度的变化的图线如图7(b)所示，当a 、b 两端电压U ab ＜0时，电压鉴别器会令开关K 接通，恒温箱内的电热丝发热，使箱内温度提高，当U ab ＞0时，电压鉴别器会K 断开，停止加热，恒温箱内的温度恒定在多少摄氏度。

解析：在U ab ＜0时，K 接通，箱内的温度提高，导致R t 减小。

当R t ＝20k Ω时达到电桥平衡，此时U ab ＝0，而U ab ＝0是K 断开、闭合的分界点，故此温度可由图7(b)中读出，R
t ＝20k Ω时对应的温度t ＝35℃。

三、小 结
通过本节课的学习，我们了解了半导体的概念，半导体的导电特性及半导体的应用。

希望同学们在平时多关注这方面的知识。

四、作 业
查看科普读物或上网查看有关半导体的应用及发展情况。

【板书设计】 三 半导体及其应用
1、半导体
(1)半导体
导电性能介于导体和绝缘体之间，而且电阻不随温度的增加而增加，反随温度的增加电 压鉴别器 220V ～ 电热丝 R 1 R t R 3 R 2 (a)
(b)
而减小，这种材料称为半导体。

(2)从电阻率的观点认识导体、绝缘体、半导体
金属导体的电阻率约为10－8～10－6Ω·m
绝缘体的电阻率约为108～1018Ω·m
半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，约为10－5～106Ω·m
2、半导体的导电特性
(1)半导体的热敏特性
半导体材料的电阻随温度升高而减小，称为半导体的热敏特性。

(2)半导体的光敏特性
半导体材料的电阻随光照而减小，称为半导体的光敏特性。

(3)半导体的掺杂特性
在纯净的半导体材料中掺入微量的杂质，会使它的电阻急剧变化，半导体的导电性能大大增强，称为半导体的掺杂特性。

3、半导体的应用及发展
(1)利用半导体材料可以制成热敏电阻、光敏电阻、传感器、晶体二极管、晶体三极管等电子元件。

(2)制成集成电路、超大规模集成电路，开辟了微电子技术的新时代。

(3)半导体的发展前景
【教学说明】
1、本节课的演示实验能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的准备工作。

2、在介绍半导体技术的发展时，应结合学生实际生活中比较了解的东西。

如计算机、电热灭蚊器、自动恒温箱等。