物理學教案設計 物理教案簡案4篇(大全)

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物理學教案設計 物理教案簡案篇一

關于教案的幾點說明: 教案的基本內容:包括課程的課程重點,課程難點,基本概念,基本要求,參考資料,思考題和自測題,教學進度及學時分配.教材:采用高等學校工科電子類(電子信息類)規(guī)劃教材《半導體物理學》,由劉思科,朱秉升,羅晉生等編寫.本教材多次獲獎,如全國高等學校優(yōu)秀教材獎,電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎,普通高等學校教材全國特等獎.參考資料(書目)葉良修(北大)《半導體物理學》 劉文明(吉大)《半導體物理學》 顧祖毅(清華)《半導體物理學》

格羅夫(美)《半導體器件物理與工藝》 王家驊(南開)《半導體器件物理》 施敏(sze.s.m美)《半導體器件物理》 施敏(sze.s.m美)《現代半導體器件物理》

目錄

第一章 半導體中的電子狀態(tài)

§1.1 晶體結構預備知識,半導體晶體結構 §1.2 半導體中的電子狀態(tài)

§1.3 電子在周期場中的運動——能帶論

§1.4 半導體中電子(在外力下)的運動,有效質量,空穴 §1.5 半導體的導電機構 §1.6 回旋共振 §1.7 硅和鍺的能帶結構 §1.8 化合物半導體的能帶結構 第二章 半導體中雜質和缺陷能級 §2.1 硅,鍺晶體中的雜質能級 §2.2 化合物半導體中的雜質能級 §2.3 半導體中的缺陷能級(defect levels)第三章 半導體中熱平衡載流子的統計分布 §3.1 載流子的統計分布函數及能量狀態(tài)密度 §3.2 導帶電子濃度和價帶空穴濃度 §3.3 本征半導體的載流子濃度 §3.4 雜質半導體的載流子濃度 §3.5 一般情況下地載流子統計分布 §3.6 簡并半導體 第四章 半導體的導電性 §4.1 載流子的漂移運動,遷移率 §4.2 載流子的散射

§4.3 遷移率與雜質濃度和溫度的關系 §4.4 電阻率及其與雜質濃度的關系 §4.6 強電場效應,熱載流子 §4.7 耿氏效應,多能谷散射 第五章 非平衡載流子 §5.1 非平衡載流子的注入 §5.2 非平衡載流子的復合和壽命 §5.3 準費米能級 §5.4 復合理論 §5.5 陷阱效應 §5.6 載流子的擴散運動

§5.7 載流子的漂移運動,愛因斯坦關系 §5.8 連續(xù)性方程及其應用 第六章 p–n結

§6.1 p–n結及其能帶圖 §6.2 p–n結電流電壓特性 §6.3 p–n結電容 §6.4 p–n結擊穿 §6.5(*)p–n結隧道效應

第一章 半導體中的電子狀態(tài) §1.1 晶體結構預備知識 半導體晶體結構 ◆本節(jié)內容:

14學時 微14學時）（光 1.晶體結構的描述(有關的名詞)格點:空間(一維或多維)點陣中的點(結點)晶列:通過任意;兩格點所作的(晶列上有一系列格點)晶向:在坐標系中晶列的方向(確定晶向的方法待定)用晶向指數表示;如[110].晶面:通過格點作的平面.一組平行的晶面是等效的,其中任意兩晶面上的格點排列是相同的,且面間距相等.晶面用晶面指數(密勒指數)表示,如(111),(100)…… 反映晶體周期性的重復單元,有兩種選取方法: 在固體物理學中——選取周期最小的重復單元,即原胞.在晶體學中——由對稱性取選最小的重復單元,即晶胞(單胞)基矢:確定原胞(晶胞)大小的矢量.原胞(晶胞)以基矢為周期排列,因此,基矢的大小又成為晶格常數.晶軸:以(布拉菲)原胞(或晶胞)的基矢為坐標軸——晶軸 格矢:在固體物理學中,選某一格點為原點o,任一格點a的格矢 =++，,為晶軸上的投影,取整數，,為晶軸上的單位矢量.在結晶學中(用的較多),選某一格點為原點o,任一格點a的格矢 =++，,為對應晶軸上的投影,取有理數，,為晶軸上的單位矢量.晶列指數及晶向:格矢在相應晶軸上投影的稱作晶列指數,并用以表示晶向,即格矢所在的晶列方向.固體物理學中,表示為[ ],投影為負值時,l的數字上部冠負號.等效晶向用表示.晶面:通過格點作的平面,用晶面指數表示.晶面指數:表示晶面的一組數.晶向與晶面的關系:在正交坐標系中,晶面指數與晶面指數相同時,晶向垂直于晶面.2.幾種晶格結構 結晶學晶胞: 簡立方:立方體的八個頂角各有一個原子.體心立方:簡立方的中心加進一個原子.面心立方:簡立方的六個面的中心各有一個原子.金剛石結構:同種原子構成的兩個面心立方沿體對角線相對位移體對角線的套構而成.每個晶胞含原子數:8(頂角)+6(面心)+4(體心)=8個 如果只考慮晶格的周期性,可用固體物理學原胞表示: 簡立方原胞:與晶胞相同,含一個原子.體心立方原胞:為棱長a的簡立方,含一個原子.面心立方原胞:為棱長a的菱立方,由面心立方體對角線的;兩個原子和六個面心原子構成,含一個原子.金剛石結構原胞:為棱長a的菱立方,由體對角線的兩個原子和六個面心原子構成棱立方,其內包含一個距頂角體對角線的原子,因此,原胞共含有2個原子.3.半導體硅,鍺的晶體結構(金剛石型結構)4.閃鋅礦型結構

◆課程重點:半導體硅,鍺的晶體結構(金剛石型結構)及其特點;半導體的閃鋅礦型結構及其特點.◆課程難點: 1.描述晶體的周期性可用原胞和晶胞,要把原胞和晶胞區(qū)分開.在固體物理學中,只強調晶格的周期性,其最小重復單元為原胞,例如金剛石型結構的原胞為棱長a的菱立方,含有兩個原子;在結晶學中除強調晶格的周期性外,還要強調原子分布的對稱性,例如同為金剛石型結構,其晶胞為棱長為a的正立方體,含有8個原子.2.閃鋅礦型結構的ⅲ-ⅴ族化合物和金剛石型結構一樣,都是由兩個面心立方晶格套構而成,稱這種晶格為雙原子復式格子.如果選取只反映晶格周期性的原胞時,則每個原胞中只包含兩個原子,一個是ⅲ族原子,另一個是ⅴ族原子.◆基本概念:原胞和晶胞都是用來描述晶體中晶格周期性的最小重復單元,但二者有所不同.在固體物理學中,原胞只強調晶格的周期性;而在結晶學中,晶胞還要強調晶格中原子分布的的對稱性.◆基本要求:記住晶向與晶面的關系;熟悉金剛石型結構與閃鋅礦型結構晶胞原子的空間立體分布及硅,鍺,砷化鎵晶體結構特點,晶格常數,原子密度數量級(個原子/立方厘米).§1.2半導體中的電子狀態(tài) ◆本節(jié)內容: 1 原子中的電子狀態(tài) 1.1玻耳的氫原子理論 1.2玻耳氫原子理論的意義

1.3氫原子能級公式及玻耳氫原子軌道半徑 1.4索末菲對玻耳理論的發(fā)展 1.5量子力學對半經典理論的修正 1.6原子能級的簡并度 2 晶體中的電子狀態(tài) 2.1電子共有化運動

2.2電子共有化運動使能級分裂為能帶 3 半導體硅,鍺晶體的能帶 3.1硅,鍺原子的電子結構 3.2硅,鍺晶體能帶的形成 3.3半導體(硅,鍺)的能帶特點 ◆課程重點: 1.氫原子能級公式 =-,氫原子第一玻耳軌道半徑 =,這兩個公式還可用于類氫原子(今后用到)量子力學認為微觀粒子(如電子)的運動須用波函數來描述,經典意義上的軌道實質上是電子出現幾率最大的地方.電子的狀態(tài)可用四個量子數表示.晶體形成能帶的原因是由于電子共有化運動 半導體(硅,鍺)能帶的特點: 存在軌道雜化,失去能級與能帶的對應關系.雜化后能帶重新分開為上能帶和下能帶,上能帶稱為導帶,下能帶稱為價帶

低溫下,價帶填滿電子,導帶全空,高溫下價帶中的一部分電子躍遷到導帶,使晶體呈現弱導電性.導帶與價帶間的能隙(energy gap)稱為禁帶(forbidden band).禁帶寬度取決于晶體種類,晶體結構及溫度.當原子數很大時,導帶,價帶內能級密度很大,可以認為能級準連續(xù)

◆課程難點:原子能級的簡并度為(2l+1),若記入自旋,簡并度為2(2l+1);注意一點,原子是不能簡并的.◆基本概念:電子共有化運動:原子組成晶體后,由于原子殼層的交疊,電子不再局限在某一個原子上,可以由一個原子轉移到另一個原子上去,因而,電子將可以在整個晶體中運動,這種運動稱為電子的共有化運動.但須注意,因為各原子中相似殼層上的電子才有相同的能量,電子只能在相似殼層中轉移.◆基本要求:掌握氫原子能級公式和氫原子軌道半徑公式;掌握能帶形成的原因及電子共有化運動的特點;掌握硅,鍺能帶的特點.§1.3 電子在周期場中的運動——能帶論 ◆本節(jié)內容: 1.自由電子的運動 電子在周期場中的運動 能帶理論的應用 ◆課程重點: 熟悉晶體中電子的運動與孤立原子的電子和自由電子的運動有何不同:孤立原子中的電子是在該原子的核和其它電子的勢場中運動,自由電子是在恒定為零的勢場中運動,而晶體中的電子是在嚴格周期性重復排列的原子間運動,單電子近似認為,晶體中的某一個電子是在周期性排列且固定不動的原子核的勢場以及其它大量電子的平均勢場中運動,這個勢場也是周期性變化的,而且它的周期與晶格周期相同.自由電子的運動狀態(tài):對于波矢為k的運動狀態(tài),自由電子的能量e,動量p,速度v均有確定的數值.因此,波矢k可用以描述自由電子的運動狀態(tài),不同的k值標志自由電子的不同狀態(tài),自由電子的e和k的關系曲線,呈拋物線形狀.由于波矢k的連續(xù)變化,自由電子的能量是連續(xù)能譜,從零到無限大的所有能量值都是允許的.晶體中的電子運動服從布洛赫定理:晶體中的電子是以調幅平面波在晶體中傳播.這個波函數稱為布洛赫波函數.求解薛定諤方程,得到電子在周期場中運動時其能量不連續(xù),形成一系列允帶和禁帶.一個允帶對應的k值范圍稱為布里淵區(qū).用能帶理論解釋導帶,半導體,絕緣體的導電性.◆課程難點: 布洛赫波函數的意義:晶體中的電子在周期性勢場中運動的波函數與自由電子的波函數形式相似,代表一個波長為1/k而在k方向上傳播的平面波,不過這個波的振幅(x)隨x作周期性的變化,其變化周期與晶格周期相同.所以常說晶體中的電子是以一個被調幅的平面波在晶體中傳播.顯然,若令(x)為常數,則在周期性勢場中運動的電子的波函數就完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟ê瘮盗?其次,根據波函數的意義,在空間某一點找到電子的幾率與波函數在該點的強度(即||=)成比例.對于自由電子,||=a,即在空間各點波函數的強度相等,故在空間各點找到電子的幾率相同,這反映了電子在空間中的自由運動,而對于晶體中的電子,||=|(x)(x)|,但(x)是與晶格同周期的函數,在晶體中波函數的強度也隨晶格周期性變化,所以在晶體中各點找到該電子的幾率也具周期性變化的性質.這反映了電子不再完全局限在某一個原子上,而是可以從晶胞中某一點自由地運動到其它晶胞內的對應點,因而電子可以在整個晶體中運動,這種運動成為電子在晶體內的共有化運動.組成晶體的原子的外層電子共有化運動較強,其行為與自由電子相似,常稱為準自由電子.而內層電子的共有化運動較弱,其行為與孤立原子中的電子相似.最后,布洛赫波函數中的波矢k與自由電子波函數的一樣,它描述晶體中電子的共有化運動狀態(tài),不同的k的標志著不同的共有化運動狀態(tài).金剛石結構的第一布里淵區(qū)是一個十四面體,(見講義圖1-11),要注意圖中特殊點的位置.◆基本概念及名詞術語: 能帶產生的原因: 定性理論(物理概念):晶體中原子之間的相互作用,使能級分裂形成能帶.定量理論(量子力學計算):電子在周期場中運動,其能量不連續(xù)形成能帶.能帶(energy band)包括允帶和禁帶.允帶(allowed band):允許電子能量存在的能量范圍.禁帶(forbidden band):不允許電子存在的能量范圍.允帶又分為空帶,滿帶,導帶,價帶.空帶(empty band):不被電子占據的允帶.滿帶(filled band):允帶中的能量狀態(tài)(能級)均被電子占據.導帶(conduction band):電子未占滿的允帶(有部分電子.)價帶(valence band):被價電子占據的允帶(低溫下通常被價電子占滿).用能帶理論解釋導體,半導體,絕緣體的導電性: 固體按其導電性分為導體,半導體,絕緣體,其機理可以根據電子填充能帶的情況來說明.固體能夠導電,是固體中的電子在外場的作用下定向運動的結果.由于電場力對電子的加速作用,使電子的運動速度和能量都發(fā)生了變化.換言之,即電子與外電場間發(fā)生能量交換.從能帶論來看,電子的能量變化,就是電子從一個能級躍遷到另一個能級上去.對于滿帶,其中的能級已被電子所占滿,在外電場作用下,滿帶中的電子并不形成電流,對導電沒有貢獻,通常原子中的內層電子都是占據滿帶中的能級,因而內層電子對導電沒有貢獻.對于被電子部分占滿的能帶,在外電場作用下,電子可從外電場中吸收能量躍遷到未被電子占據的的能級去,起導電作用,常稱這種能帶為導帶.金屬中,由于組成金屬的原子中的價電子占據的能帶是部分占滿的,所以金屬是良好的導電體.半導體和絕緣體的能帶類似,即下面是已被價電子占滿的滿帶(其下面還有為內層電子占滿的若干滿帶),亦稱價帶,中間為禁帶,上面是空帶.因此,在外電場作用下并不導電,但是這只是絕對溫度為零時的情況.當外界條件發(fā)生變化時,例如溫度升高或有光照時,滿帶中有少量電子可能被激發(fā)到上面的看到中去,使能帶底部附近有了少量電子,因而在外電場作用下,這些電子將參與導電;同時,滿帶中由于少了一些電子,在滿帶頂部附近出現了一些空的量子狀態(tài),滿帶變成了部分占滿的能帶,在外電場作用下,仍留在滿帶中的電子也能夠起導電作用,滿帶電子的這種導電作用等效于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的準粒子的導電作用,常稱這些空的量子狀態(tài)為空穴.所以在半導體中導帶的電子和價帶的空穴參與導電,這是與金屬導體的最大差別.絕緣體的禁帶寬度很大,激發(fā)電子需要很大的能量,在通常溫度下,能激發(fā)到導帶中的電子很少,所以導電性很差.半導體禁帶寬度比較小,數量級在1ev左右,在通常溫度下已有不少電子被激發(fā)到導帶中去,所以具有一定的導電能力,這是絕緣體和半導體的主要區(qū)別.室溫下,金剛石的禁帶寬度為6～7ev,它是絕緣體;硅為1.12ev,鍺為0.67ev,砷化鎵為1.43ev,所以它們都是半導體.共價鍵理論: 共價鍵理論能夠比較簡單,直觀,較好地解釋晶體的某些性質.⑴共價鍵理論主要有三點: 晶體的化學鍵是共價鍵,如 si,ge.共價鍵上的電子處于束縛態(tài),不能參與導電.處于束縛態(tài)的價電子從外界得到能量,有可能掙脫束縛成為自由電子,參與導電.⑵共價鍵理論應用 解釋半導體摻雜的敏感性

例:摻入替位式五價元素,可提供導電電子;摻入替位式三價元素,可提供導電空穴.解釋半導體的熱敏性,光敏性等.⑶兩者理論的比較(能帶理論與共價鍵理論的對應關系)能帶理論 共價鍵理論 價帶中電子 共價鍵上的電子

導帶中電子 掙脫共價鍵的電子(變?yōu)樽杂呻娮?禁帶寬度 鍵上電子掙脫鍵束縛所需的能量 定量理論 定性理論(4)本征激發(fā): 共價鍵上的電子激發(fā)成為準自由電子,亦即價帶電子吸收能量被激發(fā)到導帶成為導帶電子的過程,稱為本征激發(fā).這一概念今后經常用到.§1.4 半導體中電子(在外力下)的運動,有效質量,空穴 ◆本節(jié)內容: 導帶中e(k)與k的關系 價帶頂附近電子的運動 有效質量的意義 ◆課程重點: 掌握半導體中求e(k)與k的關系的方法:晶體中電子的運動狀態(tài)要比自由電子復雜得多,要得到它的e(k)表達式很困難.但在半導體中起作用地是位于導帶底或價帶頂附近的電子.因此,可采用級數展開的方法研究帶底或帶頂e(k)關系.電子有效質量=/(一維情況),注意,在能帶底是正值,在能帶頂是負值.電子的速度為v=,注意v可以是正值,也可以是負值,這取決于能量對波矢的變化率.引入電子有效質量后,半導體中電子所受的外力與加速度的關系具有牛頓第二定律的形式,即a=f/.可見只是以有效質量代換了電子慣性質量.空穴的概念:在牛頓第二定律中要求有效質量為正值,但價帶頂電子的有效質量為負值.這在描述價帶頂電子的加速度遇到困難.為了解決這一問題,引入空穴的概念.價帶中不被電子占據的空狀態(tài) 價帶頂附近空穴有效質量 >0 數值上與該處的電子有效質量相同,即=->0 ,空穴帶電荷+q(共價鍵上少一個電子,破壞局部電中性,顯正電).③空穴的能量坐標與電子的相反,分布服從能量最小原理.有效質量的意義:在經典牛頓第二定律中a=,式中f是外合力,是慣性質量.但半導體中電子在外力作用下,描述電子運動規(guī)律的方程中出現的是有效質量,而不是電子的慣性質量.這是因為外力f并不是電子受力的總和,半導體中的電子即使在沒有外加電場作用時,它也要受到半導體內部原子及其它電子的勢場作用.當電子在外力作用下運動時,它一方面受到外電場力f的作用,同時還和半導體內部原子,電子相互作用著,電子的加速度應該是半導體內部勢場和外電場作用的綜合效果.但是,要找出內部勢場的具體形式并且求得加速度遇到一定的困難,引進有效質量后可使問題變得簡單,直接把外力f和電子的加速度聯系起來,而內部勢場的作用則由有效質量加以概括.因此,引進有效質量的意義在于它概括了半導體內部勢場的作用,使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動運動規(guī)律時,可以不涉及到半導體內部勢場的作用.特別是可以直接由實驗測定,因而可以很方便地解決電子的運動規(guī)律.在能帶底部附近,e/d>0,電子的有效質量是正值;在能帶頂附近,e/d

導電機構(電子導電,空穴導電)◆課程重點: 滿帶中的電子不導電:電子可以在晶體中作共有化運動,但是,這些電子能否導電,還必須考慮電子填充能帶的情況,不能只看單個電子的運動.研究發(fā)現,如果一個能帶中所有的狀態(tài)都被電子占滿,那么,即使有外加電場,晶體中也沒有電流,即滿帶電子不導電.只有雖包含電子但并未填滿的能帶才有一定的導電性,即不滿的能帶中的電子才可以導電.絕對溫度為零時,純凈半導體的價帶被價電子填滿,導帶是空的.在一定的溫度下,價帶頂部附近有少量電子被激發(fā)到導帶底部附近,在外電場作用下,導帶中電子便參與導電.因為這些電子在導帶底部附近,所以,它們的有效質量是正的.同時,價帶缺少了一些電子后也呈不滿的狀態(tài),因而價帶電子也表現出具有導電的特性,它們的導電作用常用空穴導電來描寫.本征半導體的導電機構:對本征半導體,導帶中出現多少電子,價帶中就對應出現多少空穴,導帶上電子參與導電,價帶上空穴也參與導電,這就是本征半導體的導電機構.這一點是半導體同金屬的最大差異,金屬中只有電子一種荷載電流的粒子(稱為載流子),而半導體中有電子和空穴兩種載流子.正是由于這兩種載流子的作用,使半導體表現出許多奇異的特性,可用來制造形形色色的器件.◆課程難點:價帶電子導電通常用空穴導電來描述.實踐證明,這樣做是時分方便的.但是,如何理解空穴導電 設想價帶中一個電子被激發(fā)到價帶,此時價帶為不滿帶,價帶中電子便可導電.設電子電流密度密度為j,則 j=價帶(k狀態(tài)空出)電子總電流

可以用下述方法計算出j的值.設想以一個電子填充到空的k狀態(tài),這個電子的電流等于電子電荷-q乘以k狀態(tài)電子的速度v(k),即 k狀態(tài)電子電流=(-q)v(k)填入這個電子后,價帶又被填滿,總電流應為零,即 j+(-q)v(k)=0 因而得到 j=(+q)v(k)這就是說,當價帶k狀態(tài)空出時,價帶電子的總電流,就如同一個正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v(k)運動時所產生的電流.因此,通常把價帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子,稱為空穴.引進這樣一個假象的粒子――空穴后,便可以很簡便地描述價帶(未填滿)的電流.◆基本概念: 載流子:晶體中荷載電流(或傳導電流)的粒子.金屬中為電子,半導體中有兩種載流子即電子和空穴.◆基本要求:掌握半導體的導電機構,正確理解空穴的導電機理.§1.6 回旋共振 ◆本節(jié)內容: k空間等能面 回旋共振

◆課程重點: 利用回旋共振實驗測量有效質量.◆課程難點:回旋共振原理及條件.◆基本概念:回旋共振實驗的目的是測量電子的有效質量,以便采用理論與實驗相結合的方法推出半導體的能帶結構.為能觀測出明顯的共振吸收峰,就要求樣品純度要高,而且實驗一般在低溫下進行,交變電磁場的頻率在微波甚至在紅外光的范圍.實驗中常是固定交變電磁場的頻率,改變磁感應強度以觀測吸收現象.磁感應強度約為零點幾t.等能面的形狀與有效質量密切相關,對于球形等能面,有效質量各向同性,即只有一個有效質量;對于橢球等能面,有效質量各向異性,即在不同的波矢方向對應不同的有效質量(可參考下節(jié)內容).◆基本要求:掌握等能面的研究方法:不同的半導體材料,其能帶結構不同,而且往往是各向異性的,即沿不同的波矢方向,e～k關系不同.e～k關系可用等能面表示,因此要掌握等能面的研究方法.掌握回旋共振實驗原理及實驗條件.§1.7 硅和鍺的能帶結構 ◆本節(jié)內容: 硅和鍺的導帶結構 硅和鍺的價帶結構 ◆課程重點: 回旋共振的實驗發(fā)現,硅,鍺電子有效質量各向異性,說明其等能面各向異性.通過分析,硅有六個橢球等能面,分別分布在晶向的六個等效晶軸上,電子主要分布在這六個橢球的中心(極值)附近.僅從回旋共振的實驗還不能決定導帶極值(橢球中心)的確定位置.通過施主電子自旋共振實驗得出,硅的導帶極值位于方向的布里淵區(qū)邊界的0.85倍處.n型鍺的實驗指出,鍺的導電極小值位于方向的布里淵區(qū)邊界上共有八個.極值附近等能面為沿方向旋轉的八個橢球面,每個橢球面有半個在布里淵區(qū),因此,在簡約布里淵區(qū)共有四個橢球.硅和鍺的價帶結構:有三條價帶,其中有兩條價帶的極值在k=0處重合,有兩種空穴有效質量與之對應,分別為重空穴和輕空穴,還有第三個價帶,其帶頂比前兩個價帶降低了,對于硅,=0.04ev,對于鍺=0.29ev,這條價帶給出了第三種空穴.空穴重要分布在前兩個價帶.在價帶頂附近,等能面接近平面.在硅,鍺的能帶圖中指出導帶底和價帶頂的位置及禁帶寬度.◆課程難點:對e(k)表達式和回旋共振實驗有效質量表達式的處理.在k空間合理的選取坐標系,可是問題得到簡化.如選取為能量零點,以為坐標原點,取，為三個直角坐標軸,分別與橢球主軸重合,并使軸沿橢球長軸方向(即沿方向),則等能面分別為繞軸旋轉的旋轉橢球面.e(k)表達式簡化為e(k)=;如果,軸選取恰當,計算可簡單,選取使磁感應強度b位于軸和軸所組成的平面內,且同軸交角,則在這個坐標系里,b的方向余弦，分別為=sin,=0,=cos ◆基本概念:橫向有效質量沿橢球短軸方向,縱向有效質量沿橢球長軸方向.◆基本要求: 掌握硅,鍺的能帶結構,注意它們導帶底和價帶頂所處的位置.§1.8 化合物半導體的能帶結構 ◆本節(jié)內容: 化合物半導體的種類 化合物半導體的共同特性 化合物半導體能帶結構的一般特征 銻化銦的能帶結構 砷化鎵的能帶結構 磷化鎵和磷化銦的能帶結構 混合晶體的能帶結構

◆課程重點:砷化鎵的能帶結構:導帶極小值位于布里淵區(qū)中心k=0處,等能面為球面,導帶底電子有效質量為0.067.在方向布里淵區(qū)邊界還有一個導帶極小值,極值附近的曲線的曲率比較小,所以此處電子有效質量比較大,約為0.55,它的能量比布里淵區(qū)中心極小值的能量高0.29ev.正是由于這個能谷的存在,使砷化鎵具有特殊的性能(見第四章).價帶結構與硅,鍺類似.室溫下禁帶寬度為1.424ev.◆課程難點:無

說明:半導體的禁帶寬度隨溫度變化,有兩種計算方法,即 和

均為經驗公式.◆基本概念:直接帶隙半導體是指導帶極小值與價帶極大值對應同一波矢;間接帶隙半導體是指導帶極小值與價帶極大值對應不同的波矢.◆基本要求:掌握砷化鎵的能帶結構,了解化合物半導體能帶結構的一般特征.第一章思考題與自測題: 1.原子中的電子和晶體中電子受勢場作用情況以及運動情況有何不同 原子中內層電子和外層電子參與共有化運動有何不同

2.晶體體積的大小對能級和能帶有什么影響

3.描述半導體中電子運動為什么要引入"有效質量"的概念 用電子的慣性質量描述能帶中電子運動有何局限性

4.一般來說,對應于高能級的能帶較寬,而禁帶較窄,是否如此 為什么

5.有效質量對能帶的寬度有什么影響 有人說:"有效質量愈大,能量密度也愈大,因而能帶愈窄."是否如此 為什么

6.簡述有效質量與能帶結構的關系

7.對于自由電子,加速反向與外力作用反向一致,這個結論是否適用于布洛赫電子

8.從能帶底到能帶頂,晶體中電子的有效質量將如何變化 外場對電子的作用效果有什么不同

9.試述在周期性勢場中運動的電子具有哪些一般屬性

10.以硅的本征激發(fā)為例,說明半導體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結構的聯系 為什么電子從其價鍵上掙脫出來所需的最小能量就是半導體的禁帶寬度

11.為什么半導體滿帶中的少量空狀態(tài)可以用具有正電荷和一定質量的空穴來描述

12.有兩塊硅單晶,其中一塊的重量是另一塊重量的二倍.這兩塊晶體價帶中的能級數是否相等 彼此有何聯系

13.說明布里淵區(qū)和k空間等能面這兩個物理概念的不同.14.為什么極值附近的等能面是球面的半導體,當改變存儲反向時只能觀察到一個共振吸收峰

第二章 半導體中雜質和缺陷能級（光4學時 微5學時）

引言: 理想半導體:1,原子嚴格地周期性排列,晶體具有完整的晶格結構.2,晶體中無雜質,無缺陷.3電子在周期場中作共有化運動,形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級上,禁帶中無能級.由本征激發(fā)提供載流子

晶體具有完整的(完美的)晶格結構,無任何雜質和缺陷——本征半導體.(純凈半導體中,的位置和載流子的濃度只是由材料本身的本征性質決定的)實際材料中,1,總是有雜質,缺陷,使周期場破壞,在雜質或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)——對應的能級常常處在禁帶中,對半導體的性質起著決定性的影響.2,雜質電離提供載流子.§2.1 硅 鍺晶體中的雜質能級 ◆本節(jié)內容: 晶體中雜質基本情況

1.1 雜質來源 1.2 人為摻雜的目的 1.3 摻雜的方法

1.4 雜質在晶體中的位置(替位和間隙)1.5 雜質濃度

硅,鍺晶體中的施主雜質和受主雜質及其電離能 2.1 施主雜質及其電離能 2.2 受主雜質及其電離能

淺能級雜質電離能計算——類氫模型 3.1 施主雜質電離能計算 3.2 受主雜質電離能計算 雜質補償作用 深能級雜質 5.1 深能級雜質特點

5.2深能級雜質產生多重能級的原因 5.3深能級雜質對半導體性能的影響 ◆課程重點: 在純凈的半導體中摻入一定的雜質,可以顯著地控制半導體地導電性質.根據摻入雜質地分布位置可以分為替位式雜質和受主雜質.施主雜質電離后成為不可移動的帶正電的施主離子,同時向導帶提供電子,使半導體成為電子導電的n型半導體.受主雜質電離后成為不可移動的帶負電的受主離子,同時向價帶提供空穴,使半導體成為空穴導電的p型半導體.雜質元素摻入半導體后,由于在晶格勢場中引入微擾,使能帶極值附近出現分立的能級——雜質能級.v族元素在靠近導帶底的禁帶中引入施主能級,ⅲ族元素在靠近價帶頂的禁帶中引入受主能級.類氫模型對淺能級的位置給出了比較滿意的定量描述.經過修正后,施主雜質的電離能和軌道半徑可以表示為: ，受主雜質的電離能可以表示為:

式中,為氫原子的基態(tài)電離能;為晶體的相對介電常數.施主雜質和受主雜質有相互抵消作用,通常稱為"雜質補償"."雜質補償"是制造各種半導體器件的基礎.非ⅲ,ⅴ族雜質元素在半導體中也可能會產生能級或多能級.例如:金au在硅中電離后產生兩個能級,一個在價帶上面0.35ev處的施主能級,它在p型硅中起主要作用.另一個在導帶下面0.54ev處的受主能級,它在n型硅中起主要作用.6,深能級雜質和晶體缺陷形成的能級一般作為復合中心.◆課程難點:用類氫模型計算淺能級雜質的電離能;解釋金在鍺中產生多重能級的原因:金是ⅰ族元素,中性金原子(記為)只有一個價電子,它取代鍺晶格中的一個鍺原子而位于晶格點上.金比鍺少三個價電子,中性金原子的這一個價電子,可以電離而躍遷入導帶,這一施主能級為,因此,電離能為().因為金的這個價電子被共價鍵所束縛,電離能很大,略小于鍺的禁帶寬度,所以,這個施主能級靠近價帶頂.電離以后,中性金原子接受就稱為帶一個電子電荷的正電中心.但是,另一方面,中性金原子還可以和周圍的四個鍺原子形成共價鍵,在形成共價鍵時,它可以從價帶接受三個電子,形成，三個受主能級.金原子接受第一個電子后變?yōu)?相應的受主能級為,其電離能為(-).接受第二個電子后,變?yōu)?相應的受主能級為,其電離能為(-).接受第三個電子后,變?yōu)?相應的受主能級為,其電離能為(-).上述的，分別表示成為帶一個,兩個,三個電子電荷的負電中心.由于電子間的庫侖排斥作用,金從價帶接受第二個電子所需要的電離能比接受第一個電子時的大,接受第三個電子時的電離能又比接受第二個電子時的大,所以,>>.離價帶頂相對近一些,但是比ⅲ族雜質引入的淺能級還是深得多,更深,就幾乎靠近導帶底了.于是金在鍺中一共有，，五種荷電狀態(tài),相應地存在著，,四個孤立能級,它們都是深能級.以上的分析方法,也可以用來說明其它一些在硅,鍺中形成深能級的雜質,基本上與實驗情況相一致.◆基本概念: 施主雜質(n型雜質):雜質電離后能夠施放電子而產生自由電子并形成正電中心的雜質——施主雜質.施主雜質電離能:雜質價電子掙脫雜質原子的束縛成為自由電子所需要的能量——雜質電離能,用表示.正電中心:施主電離后的正離子——正電中心

施主能級:施主電子被施主雜質束縛時的能量對應的能級稱為施主能級.對于電離能小的施主雜質的施主能級位于禁帶中導帶底以下較小底距離.受主雜質:能夠向(晶體)半導體提供空穴并形成負電中心底雜質——受主雜質 受主雜質電離能:空穴掙脫受主雜質束縛成為導電空穴所需的能量.受主能級:空穴被受主雜質束縛時的能量狀態(tài)對應的能級.淺能級雜質:電離能小的雜質稱為淺能級雜質.所謂淺能級,是指施主能級靠近導帶底,受主能級靠近價帶頂.室溫下,摻雜濃度不很高底情況下,淺能級雜質幾乎可以可以全部電離.五價元素磷(p),銻()在硅,鍺中是淺受主雜質,三價元素硼(b),鋁(),鎵(),銦()在硅,鍺中為淺受主雜質.雜質補償:半導體中存在施主雜質和受主雜質時,它們底共同作用會使載流子減少,這種作用稱為雜質補償.在制造半導體器件底過程中,通過采用雜質補償底方法來改變半導體某個區(qū)域底導電類型或電阻率.高度補償:若施主雜質濃度與受主雜質濃度相差不大或二者相等,則不能提供電子或空穴,這種情況稱為雜質的高等補償.這種材料容易被誤認為高純度半導體,實際上含雜質很多,性能很差,一般不能用來制造半導體器件.深能級雜質:雜質電離能大,施主能級遠離導帶底,受主能級遠離價帶頂.深能級雜質有三個基本特點:一是不容易電離,對載流子濃度影響不大;二是一般會產生多重能級,甚至既產生施主能級也產生受主能級.三是能起到復合中心作用,使少數載流子壽命降低(在第五章詳細討論).四是深能級雜質電離后以為帶電中心,對載流子起散射作用,使載流子遷移率減少,導電性能下降.◆基本要求:掌握淺能級雜質和深能級雜質的基本特點和在半導體中起的作用,特別注意金在硅中既有施主能級又有受主能級,它是有效的復合中心.§2.2 化合物半導體中底雜質能級 ◆本節(jié)內容: 雜質在砷化鎵中的存在形式

各類雜質在砷化鎵,磷化鎵中的雜質能級.◆課程重點:四族元素硅在砷化鎵中的雙性行為,即硅的濃度較低時主要起施主雜質作用,當硅的濃度較高時,一部分硅原子將起到受主雜質作用.這種雙性行為可作如下解釋:實驗測得硅在砷化鎵中引入一淺施主能級(-0.002)ev,硅應起施主作用,那么當硅雜質電離后,每一個硅原子向導帶提供一個導電電子,導帶中的電子濃度應隨硅雜質濃度的增加而線性增加.但是實驗表明,當硅雜質濃度上升到一定程度之后,導帶電子濃度趨向飽和,好像施主雜質的有效濃度降低了.這種現象的出現,是因為在硅雜質濃度較高時,硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質的作用,而且硅也取代了一部分v族砷原子而起著受主雜質的作用,因而對于取代ⅲ族原子鎵的硅施主雜質起到補償作用,從而降低了有效施主雜質的濃度,電子濃度趨于飽和.可見,在這個粒子中,硅雜質的總效果是起施主作用,保持砷化鎵為n型半導體.實驗還表明,砷化鎵單晶體中硅雜質濃度為時,取代鎵原子的硅施主濃度與取代砷原子的硅受主濃度之比約為5.3:1.硅取代砷所產生的受主能級在()ev處.◆課程難點:無

◆基本概念:等電子陷阱和等離子雜質在某些化合物半導體中,例如磷化鎵中摻入v族元素氮或鉍,氮或鉍將取代磷并在禁帶中產生能級.這個能級稱為等離子陷阱.這種效應稱為等離子雜質效應.所謂等離子雜質是與基質晶體原子具有同數量價電子的雜質原子,它們替代了格點上的同族原子后,基本上仍是電中性的.但是由于原子序數不同,這些原子的共價半徑和電負性有差別,因而它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心.這個帶電中心就稱為等離子陷阱.是否周期表中同族元素均能形成等離子陷阱呢 只有當摻入原子與基質晶體原子在電負性,共價半徑方面有較大差別時,才能形成等離子陷阱.一般說,同族元素原子序數越小,電負性越大,共價半徑越小.等電子雜質電負性大于基質晶體原子的電負性時,取代后,它便能俘獲電子成為負電中心.反之,它能俘獲空穴成為正電中心.例如,氮的共價半徑和電負性分別為0.070nm和3.0,磷的共價半徑和電負性分別為0.110nm和2.1,氮取代磷后能俘獲電子成為負電中心.這個俘獲中心稱為等離子陷阱.這個電子的電離能=0.008ev.鉍的共價半徑和負電性分別為0.146nm和1.9,鉍取代磷后能俘獲空穴,它的電離能是=0.038ev.◆基本要求:掌握等電子陷阱和等離子雜質的概念.能解釋硅在砷化鎵中的雙性行為.§2.3 半導體中的缺陷能級(defect levels)◆本節(jié)內容: 點缺陷(熱缺陷)point defects/thermaldefects 1.1 點缺陷的種類: 弗侖克耳缺陷:原子空位和間隙原子同時存在 肖特基缺陷:晶體中只有晶格原子空位 間隙原子缺陷:只有間隙原子而無原子空位 1.2 點缺陷(熱缺陷)特點: 熱缺陷的數目隨溫度升高而增加

熱缺陷中以肖特基缺陷為主(即原子空位為主).原因:三種點缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小.(可參閱劉文明《半導體物理學》p70～p73,或葉良修《半導體物理學》p24和p94)淬火后可以"凍結"高溫下形成的缺陷.退火后可以消除大部分缺陷.半導體器件生產工藝中,經高溫加工(如擴散)后的晶片一般都需要進行退火處理.離子注入形成的缺陷也用退火來消除.1.3 點缺陷對半導體性質的影響: 缺陷處晶格畸變,周期性勢場被破壞,致使在禁帶中產生能級.熱缺陷能級大多為深能級,在半導體中起復合中心作用,使非平衡載流子濃度和壽命降低.空位缺陷有利于雜質擴散

對載流子有散射作用,使載流子遷移率和壽命降低.位錯(dislocation)2.1 位錯形成原因

2.2 位錯種類:刃位錯(橫位錯)和螺位錯 2.棱位錯對半導體性能的影響: 位錯線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨撾娭行?表現為受主;懸掛鍵上的一個電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行?此時表現為施主,即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為,可以起受主作用,也可以起施主作用.位錯線處晶格變形,導致能帶變形 位錯線影響雜質分布均勻性

位錯線若接受電子變成負電中心,對載流子有散射作用.(第四章)影響少子壽命,原因:一是能帶變形,禁帶寬度減小,有利于非平衡載流子復合;二是在禁帶中產生深能級,促進載流子復合.(第五章)偏離化學比缺陷:離子晶體或化合物半導體,由于組成晶體的元素偏離正?；瘜W比而形成的缺陷.◆課程重點:點缺陷和位錯對半導體性能的影響(參閱本節(jié)內容).◆課程難點:無.◆基本要求:掌握點缺陷和位錯缺陷對半導體性能的影響.第二章思考題與自測題: 1.說明雜質能級以及電離能的物理意義.為什么受主,施主能級分別位于價帶之上或導帶之下,而且電離能的數值較小

2.純鍺,硅中摻入ⅲ族或ⅴ族元素后,為什么使半導體電性能有很大的改變 雜質半導體(p型或n型)應用很廣,但為什么我們很強調對半導體材料的提純

3.把不同種類的施主雜質摻入同一種半導體材料中,雜質的電離能和軌道半徑是否不同 把同一種雜質摻入到不同的半導體材料中(例如鍺和硅),雜質的電離能和軌道半徑又是否都相同

4.何謂深能級雜質 它們電離以后有說明特點

5.為什么金元素在鍺或硅中電離后可以引入多個施主或受主能級

6.說明摻雜對半導體導電性能的影響.7.說明半導體中淺能級雜質和深能級雜質的作用有何不同

8.什么叫雜質補償 什么叫高度補償的半導體 雜質補償有何實際應用

第三章 半導體中熱平衡載流子的統計分布

引言: 本章的主要任務:計算本征半導體和雜質半導體的熱平衡載流子濃度及費米能級的位置,討論，與，的關系.熱平衡和熱平衡載流子:在一定溫度下,如果沒有其它外界作用半導體中的導電電子和空穴是依靠電子的熱激發(fā)作用而產生的,電子從不斷熱震動的晶格中獲得一定的能量,就可能從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài),例如,電子從價帶躍遷到導帶(這就是本征激發(fā)),形成導電電子和價帶空穴.電子和空穴也可以通過雜質電離方式產生,當電子從施主能級躍遷到導帶時產生導帶電子;當電子從價帶激發(fā)到受主能級時產生價帶空穴等.與此同時,還存在著相反的過程,即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài),并向晶格放出一定能量,從而使導帶中的電子和價帶中的空穴不斷減少,這一過程稱為載流子的復合.在一定溫度下,這兩個相反的過程之間將建立起動態(tài)的平衡,稱為熱平衡狀態(tài).這時,半導體中的導電電子濃度和空穴濃度都保持一個穩(wěn)定的數值,這種處于熱平衡狀態(tài)下的導電電子和空穴稱為熱平衡載流子.當溫度改變時,破壞了原來的平衡狀態(tài),又重新建立起新的平衡狀態(tài),熱平衡載流子的濃度也將發(fā)生變化,達到另一穩(wěn)定數值.解決問題的思路:熱平衡是一種動態(tài)平衡,載流子在各個能級之間躍遷,但它們在每個能級上出現的幾率是不同的.要討論熱平衡載流子的統計分布,是首先要解決下述問題: ①回顧幾率的概念及幾率的運算法則

載流子在允許的量子態(tài)上的分布函數(幾率函數)允許的量子態(tài)按能量如何分布——能量狀態(tài)密度g(e)載流子在允許的量子態(tài)中如何分布 然后討論，～，t的關系

§3.1 載流子的統計分布函數及能量狀態(tài)密度(說明:本節(jié)內容對講義§3.1和§3.2進行了整合)◆本節(jié)內容: 幾率的基本運算法則(簡要回顧加法和乘法)分布函數

2.1 maxwell速率分布函數 2.2 boltzmann能量分布函數

2.3 費米(fermi)分布函數

能量狀態(tài)密度 3.1 k空間的狀態(tài)密度 3.2 導帶和價帶能量狀態(tài)密度 ◆課程重點: 費米分布函數的意義:它表示能量為e的量子態(tài)被一個電子占據的幾率,它是描寫熱平衡狀態(tài)下電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個統計分布函數;費米分布函數還給出空穴占據各能級的幾率,一個能級要么被電子占據,否則就是空的,即被空穴占據, 與對稱于 可以證明:

這對研究電子和空穴的分布很方便.費米分布函數與波耳茲曼分布函數的關系: 當時,電子的費米分布函數轉化為波耳茲曼分布函數.因為對于熱平衡系統和溫度為定值,則,這就是通常見到的波耳茲曼分布函數.同理,當時 ,空穴的費米分布函數轉化為空穴的波耳茲曼分布函數.在半導體中,最常遇到的情況是費米能級位于價帶內,而且與導帶底或價帶頂的距離遠大于,所以,對導帶中的所有量子態(tài)來說,被電子占據的幾率,一般都滿足,故半導體電子中的電子分布可以用電子的波耳茲曼分布函數描寫.由于隨著能量e的增大,f(e)迅速減小,所以導帶中絕大多數電子分布在導帶底附近.同理,對半導體價帶中的所有量子態(tài)來說,被空穴占據的幾率,一般都滿足,故價帶中的空穴分布服從空穴的波耳茲曼分布函數.由于隨著能量e的增大,迅速增大,所以價帶中絕大多數空穴分布在價帶頂附近.因而和是討論半導體問題時常用的兩個公式.通常把服從波耳茲曼統計率的電子系統稱為非簡并性系統.費米能級:稱為費米能級或費米能量,它和溫度,半導體材料的導電類型,雜質的含量以及能量零點的選取有關.是一個很重要的物理參數,只要知道了的數值,在一定溫度下,電子在各量子態(tài)上的統計分布就完全確定.它可以由半導體中能帶內所以量子態(tài)中被電子占據的量子態(tài)數應等于電子總數n這一條件來決定,即,將半導體中大量電子的集體看成一個熱力學系統,由統計理論證明,費米能級是系統的化學勢,即,代表系統的化學勢,f式系統的自由能.上式的意義是:當系統處于熱平衡狀態(tài),也不對外界做功的情況下,系統中增加一個電子所引起系統自由能的變化,等于系統的化學勢,所以處于熱平衡狀態(tài)的電子系統有統一的費米能級.一般可以認為,在溫度不很高時,能量大于費米能級的電子態(tài)基本上沒有被電子占據,而能量小于費米能級的幾率在各溫度下總是1/2,所以費米能級的位置比較直觀的標志了電子占據量子態(tài)的狀況,通常就說費米能級標志了電子填充能級的水平.費米能級位置越高,說明有較多的能量較高的電子態(tài)上有電子.了計算電子和空穴的濃度,必須對一個能帶內的所有能量積分,而不只是對布里淵區(qū)體積積分,為此引入狀態(tài)密度概念即單位能量間隔內的量子態(tài)數.其表達式為:.可以通過下述步驟計算狀態(tài)密度:首先算出單位k空間中的量子態(tài)數,即k空間中的狀態(tài)密度;然后算出k空間中與能量e到e+de間所對應的k空間體積,并和k空間中的狀態(tài)密度相乘,從而求得在能量e到e+de間的量子態(tài)數de;最后,根據前式,求得狀態(tài)密度g(e).◆課程難點: 能量狀態(tài)密度與k空間量子態(tài)的分布即等能面的形狀有關.在k 空間量子態(tài)的分布是均勻的,量子態(tài)的密度為v(立方晶體的體積).如果計入自旋,每個量子態(tài)可以允許兩個自旋相反的電子占據一個量子態(tài).換言之,k空間每個量子態(tài)實際上代表自旋方向相反的兩個量子態(tài),所以,在k空間,電子允許的量子態(tài)密度為2v.注意:這時每個量子態(tài)最多容納一個電子.這樣,與費米分布函數的定義就統一起來了(費米分布函數是能量為e的一個量子態(tài)被一個電子占據的幾率).狀態(tài)密度表達式的推導過程作為課堂討論的課程重點內容之一.◆基本概念:費米分布函數,k空間狀態(tài)密度和能量狀態(tài)密度的概念.◆基本要求:掌握費米分布函數和玻耳茲曼分布函數及費米能級的意義.費米能級是一個參考能級,不是電子的真實能級,費米能級的位置標志了電子填充能級的水平.熱平衡條件下費米能級為定值,費米能級的數值與溫度,半導體材料的導電類型,雜質濃度及零點的選取有關,它是一個很重要的物理參數.要求學習好的同學能導出導帶底能量狀態(tài)密度的表達式.§3.2 導帶電子濃度和價帶空穴濃度 ◆本節(jié)內容: 導帶電子濃度 價帶空穴濃度 ◆課程重點: 導出導帶電子濃度和帶空穴濃度表達式

理解,掌握電子濃度,空穴濃度表達式的意義(見基本要求)◆課程難點:導出導帶電子濃度的基本思路是:和計算狀態(tài)密度是一樣,認為能帶中的能級是連續(xù)分布的,將能帶分成一個個很小的能量間隔來處理.對導帶分為無限多的無限小的能量間隔,則在能量到之間有個量子態(tài),而電子占據能量為的量子態(tài)的幾率是,則在到間有個被電子占據的量子態(tài),因為每個被占據的量子態(tài)上有一個電子,所以在到間有個電子.然后把所有能量區(qū)間中的電子數相加,實際上是從導帶底到導帶頂對進行積分,就得到了能帶中底電子總數,再除以半導體體積就得到了導帶中的電子濃度.因為費米能級一般在禁帶中,導帶中的能級遠高于費米能級,即當時,計算導帶電子濃度可用玻耳茲曼分布函數.◆基本概念:電子濃度和空穴濃度的乘積與費米能級無關.對一定的半導體材料,乘積只決定于溫度,與所含雜質無關.而在一定溫度下,對不同的半導體材料,因禁帶寬度不同,乘積也將不同.這個關系式不論是本征半導體還是雜質半導體,只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體,都普遍適用,在討論許多許多實際問題時常常引用.對一定的半導體材料,在一定的溫度下,乘積時一定的.換言之,當半導體處于熱平衡狀態(tài)時,載流子濃度的乘積保持恒定,如果電子濃度增加,空穴濃度就要減小;反之亦然.式和式是熱平衡載流子濃度的普遍表示式.只要確定了費米能級,在一定溫度時,半導體導帶中電子濃度,價帶中空穴濃度就可以計算出來.◆基本要求:掌握導帶電子濃度和價帶空穴濃度公式: 與分別是導帶與價帶底有效狀態(tài)密度,相當于把導帶中所有量子態(tài)都集中在導帶底,而它的狀態(tài)密度為;同理,相當于把價帶中所有量子態(tài)都集中在價帶頂,而它的狀態(tài)密度為.上兩式中的指數部分是具有玻耳茲曼分布函數形式的幾率函數,前者是電子占據能量為的量子態(tài)幾率,后者是空穴占據能量為的量子態(tài)的幾率.則導帶中的電子濃度是中電子占據的量子態(tài)數,價帶空穴濃度是中有空穴占據的量子態(tài)數.§3.3 本征半導體的載流子濃度 ◆本節(jié)內容: 本征半導體費米能級 本征半導體的載流子濃度 熱平衡條件

◆課程重點:利于電中性條件(所謂電中性條件,就是電中性的半導體,其負電數與正電荷相等.因為電子帶負電,空穴帶正電,所以對本征半導體,電中性條件是導帶中的電子濃度應等于價帶中的空穴濃度,即=,由此式可導出費米能級.)求解本征半導體的費米能級:本征半導體就是沒有雜質和缺陷的半導體,在絕對零度時,價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據,而導帶中的量子態(tài)全部空著,也就是說,半導體中共價鍵是飽和的,完整的.當半導體的溫度大于零度時,就有電子從價帶激發(fā)到導帶中去,同時價帶中產生空穴,這就是所謂的本征激發(fā).由于電子和空穴成對產生,導帶中的電子濃度應等于價帶中的空穴濃度,即=.2本征載流子濃度與溫度和價帶寬度有關.溫度升高時,本征載流子濃度迅速增加;不同的半導體材料,在同一溫度下,禁帶寬度越大,本征載流子濃度越大.3,一定溫度下,任何非簡并半導體的熱平衡載流子的濃度的乘積對于該溫度時的本征載流子的濃度的平方,即,與所含雜質無關.因此,它不僅適用于本征半導體材料,而且也適用于非簡并的雜質半導體材料.4,的意義:可作為判斷半導體材料的熱平衡條件.熱平衡條件下，均為常數,則也為常數,這時單位時間單位體積內產生的載流子數等于單位時間單位體積內復合掉的載流子數,也就是說產生率大于復合率.因此,此式可作為判斷半導體材料是否達到熱平衡的依據式.◆課程難點: 這是一個容易忽視的問題,即本征半導體中導帶電子濃度等于價帶空穴濃度,根據載流子的分布函數及費米年間的意義可知:本征半導體的費米能級應該位于導帶底和價帶頂之間的中間位置,即禁帶中央處.只有這樣,導帶電子和價帶空穴才能對稱于費米能級,分布在導帶和價帶中,以滿足=.但是由于導帶有效狀態(tài)密度()和價帶有效狀態(tài)密度()中分別含有電子狀態(tài)濃度的有效質量()和價帶空穴狀態(tài)有效密度().由于兩者數值上的差異,使本征半導體的費米能級偏離禁帶中央.如果費米能級偏離禁帶中很小,可以認為費米能級基本上位于禁帶中央;如果和相差很大,本征半導體的費米能級就會偏離禁帶中央很遠.具體情況可用本征半導體費米能級表達式分析(參閱講義式(3-30)即該式以下的說明).◆基本概念: 半導體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度,這個工作溫度受本征載流子濃度制約:一般半導體器件中,載流子主要來源于雜質電離,而將本征激發(fā)忽略不計.在本征載流子濃度沒有超過雜質電離所提供的載流子濃度的溫度范圍,如果雜質全部電離,載流子濃度是一定的,器件就能穩(wěn)定工作.但是隨著溫度的升高,本征載流子濃度迅速地增加.例如在室溫附近,純硅的溫度每升高8k左右,本征載流子的濃度就增加約一倍.而純鍺的溫度每升高12k左右,本征載流子的濃度就增加約一倍.當溫度足夠高時,本征激發(fā)占主要地位,器件將不能正常工作.因此,每一種半導體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度,超過這一溫度后,器件就失效了.例如,一般硅平面管采用室溫電阻率為1·cm左右的原材料,它是由摻入的施主雜質銻而制成的.在保持載流子主要來源于雜質電離時,要求本征載流子濃度至少比雜質濃度低一個數量級,即不超過.如果也以本征載流子濃度不超過的話,對應溫度為526k,所以硅器件的極限工作溫度是520k左右.鍺的禁帶寬度比硅小,鍺的器件工作溫度比硅低,約為370k左右.砷化鎵禁帶寬度比硅大,極限工作溫度可高達720k左右,適宜于制造大功率器件.總之,由于本征載流子濃度隨溫度的迅速變化,用本征材料制作的器件性能很不穩(wěn)定,所以制造半導體器件一般都用含有適當雜質的半導體材料.◆基本要求: 能夠寫出本征半導體的電中性方程,并導出費米能級的表達式;熟悉半導體半導體載流子濃度與溫度和禁帶寬度的關系;了解通過測量不同溫度下本征載流子濃度如何得到絕對零度時的禁帶寬度;正確使用熱平衡判斷式.經常用到的數據最好要記住.例如,300 k時硅,鍺,砷化鎵的禁帶寬度分別為1.12ev,0.67ev,1.428ev.本征載流子濃度分別為，均為實驗值.§3.4 雜質半導體的載流子濃度 ◆本節(jié)內容: 雜質濃度上的電子和空穴 雜質半導體中的載流子濃度 ◆課程重點: 半導體雜質能級被電子占據的幾率函數與費米分布函數不同:因為雜質能級和能帶中的能級是有區(qū)別的,在能帶中的能級可以容納自旋下凡的兩個電子;而施主能級只能或者被一個任意自旋方向的電子占據,或者不接受電子(空的)這兩種情況中的一種,即施主能級不允許同時被自旋方向相反的兩個電子所占據.所以不能用費米分布函數表示電子占據雜質能級的幾率.分析雜質半導體摻雜濃度和溫度對載流子濃度和費米能級的影響.摻有某種雜質的半導體的載流子濃度和費米能級由溫度和雜質濃度所決定.對于雜質濃度一定的半導體,隨著溫度的升高,載流子則是從以雜質電離為主要來源過渡到以本征激發(fā)為主要來源的過程,相應地,費米能級則從位于雜質能級附近逐漸移近禁帶中線處.譬如n型半導體,在低溫弱電離區(qū)時,導帶中的電子是從施主雜質電離產生的;隨著溫度升高,導帶中的電子濃度也增加,而費米能級則從施主能級以上往下降到施主能級以下;當下降到以下若干時,施主雜質全部電離,導帶中的電子濃度等于施主濃度,處于飽和區(qū);再升高溫度,雜質電離已經不能增加電子數,但本征激發(fā)產生的電子迅速增加著,半導體進入過渡區(qū),這是導帶中的電子由數量級相近的本征激發(fā)部分和雜質電離部分組成,而費米能級則繼續(xù)下降;當溫度再升高時,本征激發(fā)成為載流子的主要來源,載流子濃度急劇上升,而費米能級下降到禁帶中線處這時就是典型的本征激發(fā).對于p型半導體,作相似的討論,在受主濃度一定時,隨著溫度升高,費米能級從在受主能級以下逐漸上升到禁帶中線處,而載流子則從以受主電離為主要來源轉化到以本征激發(fā)為主要來源.當溫度一定時,費米能級的位置由雜質濃度所決定,例如n型半導體,隨著施主濃度的增加,費米能級從禁帶中線逐漸移向導帶底方向.對于p型半導體,隨著受主濃度的增加費米能級從禁帶中線逐漸移向價帶頂附近.這說明,在雜質半導體中,費米能級的位置不但反映了半導體導電類型,而且還反映了半導體的摻雜水平.對于n型半導體,費米能級位于禁帶中線以上,越大,費米能級位置越高.對于p型半導體,費米能級位于中線以下,越大,費米能級位置越低.◆課程難點: 根據電中性方程導出各個溫度區(qū)間的費米能級和載流子濃度表達式.雜質電離程度與溫度,摻雜濃度及雜質電離能有關,溫度高,電離能小,有利于雜質電離.但雜質濃度過高,則雜質不能充分電離.通常所說的室溫下雜質全部電離,實際上忽略了雜質濃度的限制.◆基本概念: 多數載流子和少數載流子(多子和少子):半導體中載流子為電子和空穴,n型半導體以電子導電為主,電子濃度遠大于空穴濃度,故稱電子為n型半導體的多數載流子,簡稱多子,空穴為n型半導體的少數載流子,簡稱少子;對于p型半導體,空穴為多子,電子為少子.平衡少子濃度正比于本征載流子濃度的平方,對于n型半導體,由可得少子濃度,它強烈的依賴于溫度的變化.◆基本要求: 能夠寫出只摻雜一種雜質的半導體的一般性電中性方程,若只有施主雜質時,為,若只有受主雜質時為本征激發(fā)可以忽略的情況下,例如室溫區(qū),電中性條件為;當溫度較高,雜質全部電離,本征激發(fā)不能忽略時,電中性條件為,在這種情況下,應和聯立,方可解出和.能夠較熟練地計算室溫下地載流子濃度和費米能級(n型和p型)在摻雜濃度一定地情況下,能夠解釋多子濃度隨溫度地變化關系.§3.5 一般情況下地載流子統計分布 ◆本節(jié)內容: 電中性方程的一般形式及費米能級 用解析法求解咋了濃度及費米能級 ◆課程重點: 一般情況下,半導體既含有施主雜質,又含有受主雜質,在熱平衡狀態(tài)下,電中性方程為,此式的意義是:同時含有一種施主雜質和一種受主雜質情況下,半導體單位體積內的負電荷數(導帶電子濃度與電離受主濃度之和)等于單位體內的正電荷數(價帶空穴濃度與電離施主濃度之和).施主濃度大于受主濃度情況下,分析載流子濃度和費米能級與溫度的關系.◆課程難點: 在不同的溫度區(qū)間分析載流子密度和費米能級與溫度的關系溫度區(qū)間的劃分不是我們傳統意義的以溫度的數值范圍來劃分,而是通過相關參量的比較,把要討論的整個溫度范圍劃分為極低溫區(qū),低溫區(qū)……本征激發(fā)區(qū).注意兩個電中性方程的適用條件:雜質全部電離,本征激發(fā)可以忽略,即時,電中性方程為,(原始方程為).雜質全部電離,本征激發(fā)不能忽略即摻雜濃度與的數值相近,或由于溫度升高使數值增大而導致與相近時,電中性方程為(原始方程為,式中,).使用上述兩個電中性方程時,關鍵要判斷是否要考慮本征激發(fā)對電中性方程的影響.◆基本要求:掌握半導體同時含有施主雜質和受主雜質情況下電中性方程的一般表達式,能較熟練地分析和計算半導體的載流子濃度和費米能級.§3.6 簡并半導體 degenerate semiconductor ◆本節(jié)內容: 1 簡并半導體的載流子濃度 1.1導帶電子濃度 1.2 價帶空穴濃度 2 簡并化條件 2.1 簡并化條件

2.2 界簡并情況下的雜質濃度 2.3 簡并化溫度范圍

簡并半導體雜質不能充分電離 雜質帶導電 ◆課程重點: 簡并半導體的載流子濃度:對于n型半導體,施主濃度很高,使費米能級接近或進入導帶時,導帶底附近底量子態(tài)基本上已被電子占據,導帶中底電子書目很多,的條件不能成立,必須考慮泡利不相容原理的作用.這時,不能再用玻耳茲曼分布函數,必須用費米分布函數來分析導帶中電子的分布問題.這種情況稱為載流子的簡并化.發(fā)生載流子簡并化的半導體稱為基本半導體,對于p型半導體,其費米能級接近價帶頂或進入價帶,也必須用費米分布函數來分析價帶中空穴的分布問題.簡并時的雜質濃度:對n型半導體,半導體發(fā)生簡并時,摻雜濃度接近或大于導帶底有效狀態(tài)密度;對于雜質電離能小的雜質,則雜質濃度較小時就會發(fā)生簡并.對于p型半導體,發(fā)生簡并的受主濃度接近或大于價帶頂有效狀態(tài)密度,如果受主電離能較小,受主濃度較小時就會發(fā)生簡并.對于不同種類的半導體,因導帶底有效狀態(tài)密度和價帶頂有效密度各不相同.一般規(guī)律是有效狀態(tài)密度小的材料,其發(fā)生簡并的雜質濃度較小.◆課程難點:半導體發(fā)生簡并對應一個溫度范圍:用圖解的方法可以求出半導體發(fā)生簡并時,對應一個溫度范圍.這個溫度范圍的大小與發(fā)生簡并時的雜質濃度及雜質電離能有關:電離能一定時,雜質濃度越大,發(fā)生簡并的溫度范圍越大;發(fā)生簡并的雜質濃度一定時,雜質電離能越小,簡并溫度范圍越大.◆基本概念: 簡并半導體中雜質不能充分電離:通過分析計算,室溫下,n型硅摻磷,發(fā)生簡并的磷雜質濃度,經計算,電離施主濃度,因此硅中只有8.4%的雜質是電離的,故導帶電子濃度.盡管只有8.4%的雜質電離,但摻雜濃度較大,所以電子濃度還是較大.簡并半導體中雜質不能充分電離的原因:簡并半導體電子濃度較高,費米能級較低摻雜時,遠在施主能級之上,使雜質電離程度降低(參閱§3.4 雜質能級上的電子和空穴)雜質帶導電:在非簡并半導體中,雜質濃度不算很大,雜質原子間距離比較遠,它們間的相互作用可以忽略.被雜質原子束縛的電子在原子之間沒有共有化運動,因此在禁帶中形成孤立的雜質能級.但是在重摻雜的簡并半導體中,雜質濃度很高,雜質原子互相間很靠近,被雜質原子束縛的電子的波函數顯著重疊,雜質電子就有可能在雜質原子之間產生共有化運動,從而使孤立的雜質能級擴展為能帶,通常稱為雜質能帶.雜質能帶中的雜質電子,可以通過雜質原子之間的共有化運動參加導電的現象稱為雜質帶導電.簡并化條件:簡并化條件是人們的一個約定,把與的相對位置作為區(qū)分簡并化與非簡并化的標準,一般約定: , 非簡并 , 弱簡并 , 簡并

注意:學過本節(jié)之后,在做習題時,首先要判斷題目中給出的半導體材料是否發(fā)生弱簡并或簡并.然后才能確定采用相應的有關公式進行解題.◆基本要求: 對簡并化半導體有最基本的認識,其主要特點是摻雜濃度高,使費米能級接近或進入導帶或價帶.能夠分析半導體是否發(fā)生簡并化和計算簡并化半導體的載流子濃度.了解簡并化對能帶的影響及簡并半導體的基本應用:簡并化半導體由于雜質帶的產生會使禁帶寬度變小;簡并化半導體的基本應用之一是用來制造隧道二極管,p-n結兩側,n型材料的費米能級進入導帶,p型材料的費米能級進入價帶(可參閱第六章最后一節(jié)).第三章思考題與自測題: 1.半導體處于怎樣的狀態(tài)才能叫處于熱平衡狀態(tài) 其物理意義如何.2.什么叫統計分布函數 費米分布和玻耳茲曼分布的函數形式有何區(qū)別 在怎樣的條件下前者可以過渡到后者 為什么半導體中載流子分布可以用玻耳茲曼分布描述

3.說明費米能級的物理意義.根據費米能級位置如何計算半導體中電子和空穴濃度 如何理解費米能級是摻雜類型和摻雜程度的標志

4.證明,在時,對費米能級取什么樣的對稱形式

5.在半導體計算中,經常應用這個條件把電子從費米能級統計過渡到玻耳茲曼統計,試說明這種過渡的物理意義.6.寫出半導體的電中性方程.此方程在半導體中有何重要意義 7.若n型硅中摻入受主雜質,費米能級升高還是降低 若溫度升高當本征激發(fā)起作用時,費米能級在什么位置 為什么

8.如何理解分布函數與狀態(tài)密度的乘積再對能量積分即可求得電子濃度

9.為什么硅半導體器件比鍺器件的工作溫度高

10.當溫度一定時,雜質半導體的費米能級主要由什么因素決定 試把強n,弱n型半導體與強p,弱p半導體的費米能級與本征半導體的費米能級比較.11.如果向半導體中重摻施主雜質,就你所知會出現一些什么效應

第四章 半導體的導電性(載流子的輸運現象)引言: 本章主要討論載流子的運動規(guī)律(載流子的輸運現象),載流子在電場中的漂移運動,遷移率,電導率,散射機構及強電場效應.§4.1 載流子的漂移運動,遷移率 ◆本節(jié)內容: 1 半導體中載流子的運動形式 1.1 無規(guī)則運動(熱運動)1.2 有規(guī)則運動(定向運動)2 載流子的漂移運動 2.1 歐姆定律的微分形式 2.2 載流子的遷移率

3 半導體中的電位差引起能帶傾斜 ◆課程重點: 在半導體中,常遇到電流分布不均勻的情況,即流過不同截面的電流強度不相等.所以,通常用電流密度來描述半導體中的的電流.電流密度是指通過垂直于電流方向的單位面積的電流,根據熟知的歐姆定律可以得

物理學教案設計 物理教案簡案篇二

物理學

學科：理學

門類：物理學類

專業(yè)名稱：物理學

業(yè)務培養(yǎng)目標：本專業(yè)培養(yǎng)掌握物理學的基本理論與方法，具有良好的數學基礎和實驗技能，能在物理學或相關的科學技術領域中從事科研、

教學

業(yè)務培養(yǎng)要求：本專業(yè)學生主要學習物質運動的基本規(guī)律，接受運用物理知識和方法進行科學研究和技術開發(fā)訓練，獲得基礎研究或應用基礎研究的初步訓練，具備良好的科學素養(yǎng)和一定的科學研究與應用開發(fā)能力。

畢業(yè)生應獲得以下幾方面的知識和能力：

1．掌握數學的基本理論和基本方法，具有較高的數學修養(yǎng)；

2．掌握堅實的、系統的物理學基礎理論及較廣泛的物理學基本知識和基本實驗方法，具有一定的基礎科學研究能力和應用開發(fā)能力；

3．了解相近專業(yè)的一般原理和知識；

4．了解物理學發(fā)展的前沿和科學發(fā)展的總體趨勢；

5．了解國家科學技術、知識產權等有關政策和法規(guī)；

6．掌握資料查詢、文獻檢索及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法；具有-定的實驗設計，創(chuàng)造實驗條件，歸納、整理、分析實驗結果，撰寫論文，參與學術交流的能力。

主干學科：物理學

主要課程：高等數學、普通物理學、數學物理方法、理論力學、熱力學與統計物理、電動力學、量子力學、固體物理學、結構和物性、計算物理學入門等。

主要實踐性教學環(huán)節(jié)：包括生產實習，科研訓練，畢業(yè)論文等，一般安排10-20周。

修業(yè)年限：四年

授予學位：理學學士

開設院校

全部高校>> 北京工業(yè)大學 哈爾濱工業(yè)大學 北京交通大學 中央民族大學 遼寧大學 北京大學 云南大學 河北工業(yè)大學 中國人民大學 北京師范大學 內蒙古大學 長安大學 武漢大學 北京航空航天大學 河北大學 大連海事大學 西北大學 湖南大學 北京郵電大學 河北科技大學

物理學教案設計 物理教案簡案篇三

牛頓第一定律教案

（一）引入新課

開門見山，闡述課題：前面幾章學習了運動和力基礎知識，這一章開始我們研究力和運動的關系。第一節(jié)課我們來學習牛頓第一定律。

（二）進行新課

教師活動：多媒體播放古代人勞動的漫畫：

邊播放邊說，人推車走，不推車停，由此看來必須有力作用在物體上，物體才運動，沒有力作用在物體上，物體就不運動——這是兩千多年前亞里士多德說的，不是我說的。是這樣嗎？

學生活動：學生觀看漫畫：人推著車子，汗流俠背，推車的人放下車，一邊擦汗，一邊嘆氣。通過看漫畫思考問題。

教師活動：下面你就利用桌子上的器材來研究一下這個問題。讓學生利用桌子上的器材，自主設計實驗，分別研究： l、力推物動，力撤物停。

2、力撤物不停。

教師巡回指導，提出問題：物體的運動是不是一定需要力？ 學生活動：利用桌子上的器材：小車、小球、毛巾、玻璃板、斜槽、刻度尺。做實驗：

1、桌子上鋪毛巾，小車放在毛巾上，推它就動，不推就停。

2、撤去毛巾，讓小車在桌面上，推一下小車，小車運動一段才停下來。

教師活動：你還能舉出其他的例子來說明這個問題嗎？ 剛才的兩個實驗為什么會出現兩種現象呢？矛盾出在哪呢？

學生活動：學生舉例討論，比如：自行車蹬一段時間后停止蹬車，自行車會滑行一段距離；溜冰；冰面上踢出去的冰塊。等等。

點評：通過舉例進一步理解物體的運動不需要力來維持。教師活動：引導學生進行實驗對比。通過對比實驗可以進行邏輯推理，如果接觸面非常光滑沒有摩擦，那小球會怎樣？ 學生活動：用小球做對比實驗

a、使斜槽和桌面吻合，讓小球從斜槽上滾下，標出滾動距離。b、在桌面上放玻璃板，使斜槽和玻璃板吻合，讓小球從同樣的高度滾下，標出滾動的距離。

對比發(fā)現，接觸面越光滑，滾動距離越遠。［

總結

點評：

1、對比實驗，找出問題的本質．從而理解物體的運動和力的關系．

2、在對比實驗的基礎上進行合理的邏輯推理． 教師活動：在學生回答的基礎上，結合實驗進一步總結：（并板書）物體的運動是不需要力來維持的。（力撤物停的原因是因為摩擦力。如果沒有摩擦力，運動的物體會一直運動下去）。最早發(fā)現這一問題的科學家是伽利略。伽利略是怎么研究這個問題的呢？

教師活動：邊介紹邊用多媒體播放伽利略的理想實驗。要動態(tài)出以下效果：

（1）對稱斜面，沒有摩擦小球滾到等高。

（2）減小另一側斜面傾角，小球從同一位置釋放要滾到等高，滾動距離就會越遠。

（3）把另側斜面放平，小球要到等高，就會一直滾下去。根據這一現象伽利略得出了什么樣的結論？ 學生活動：觀察并回答提出的問題： 運動的物體如果不受力物體將勻速運動下去。

點評：通過觀察伽利略的理想實驗，啟發(fā)學生在研究科學問題時大膽的設想和科學的推理都是很有必要的。教師活動：用氣墊導軌消除摩擦。讓滑塊在導軌上滑動，利用光電門測出滑塊在不同位置的速度。

學生活動：學生記錄數據并比較。確信他的正確性。教師活動：引導學生認識、總結力和運動的關系。讓學生閱讀課文找出： l、伽利略的觀點。

2、笛卡兒的補充和完善。

3、牛頓第一定律。

對比三個人的觀點，他們都是敘述力和運動關系的，誰的更全面？ 學生活動：閱讀課文，回答問題。

1、伽利略：物體不受力時，運動的物體一直作勻速直線運動。

2、笛卡兒：物體不受力時，物體將永遠保持靜止或運動狀態(tài)。

教師活動：既然牛頓第一定律是最完善的，那么它從幾個方面闡述了力和運動的關系？ 在學生回答的基礎上，進一步總結：力不是維持物體運動狀態(tài)的原因，力是改變運動狀態(tài)的原因。

運動狀態(tài)是指什么？

學生討論回答：兩個方面：不受力時，物體保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)；受力時，力迫使它改變運動狀態(tài)。運動狀態(tài)：速度的大小和方向。

點評：培養(yǎng)學生理解問題時能力。

教師活動：牛頓第一定律可不可以用實驗來驗證？ 什么時候可以看作不受力并舉例說明。

學生活動：學生回答不能。因為不受力作用的物體是不存在的。受力但合力為零時。比如：冰面上的滑動的冰塊。冰壺球。點評：培養(yǎng)學生刨根問底的嚴謹態(tài)度。教師活動：牛頓定律又叫慣性定律，慣性是指什么？ 你又怎樣理解這種性質呢？舉例說明。

因為這是一個新概念，學生剛接受可能不是很好理解。通過實驗來進一步的理解。

在小車上放一高的木塊，讓小車在光滑的玻璃上運動，前面固定一物塊，當車運動到物塊時被擋住，車上的木塊前傾。為什么？ 再如，人站在勻速行使的車廂內豎直向上跳起，仍會落到原地。這都是慣性。

再讓學生舉例，學生就必然入門了。

學生活動：學生觀察并思考，再進一步理解慣性：是指物體具有保持原來運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質。教師活動：列舉慣性利用和危害的事例。

點評：通過生活中的例子進一步理解慣性。教師活動：進一步總結：物體不受力時將保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，理解時可認為不受力和合力為零效果是一樣的，如果某個方向不受力，那么在這個方向物體也會保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)。培養(yǎng)學生靈活運用物理規(guī)律解決問題的能力。

教師活動：一切物體都具有保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質，當力使它改變這種狀態(tài)時，它就會有抵抗運動狀態(tài)改變的的“本領”。這個本領與什么有關呢？比如貨車啟動時，由靜止到運動得需要一段時間，是空車好啟動還是滿載時？你還能舉出什么例子來？ 學生活動：學生思考

比如騎自行車，單人時和帶人時的感覺相比。從實例可看出，運動狀態(tài)變化的難易程度與質量有關。教師演示：彈簧穿過一細線與兩質量不同的小車相連，剪斷細線，觀察小車的運動。

點評：通過生活中的一些例子理解慣性大小與質量有關．

（三）課堂總結、點評 教師活動：讓學生概括總結本節(jié)的內容。請一個同學到黑板上總結，其他同學在筆記本上總結，然后請同學評價黑板上的小結內容。學生活動：認真總結概括本節(jié)內容，并把自己這節(jié)課的體會寫下來、比較黑板上的小結和自己的小結，看誰的更好，好在什么地方。點評：總結課堂內容，培養(yǎng)學生概括總結能力。教師要放開，計學生自己總結所學內容，允許內容的順序不同，從而構建他們自己的知識框架。

（四）實例探究 ☆對慣性的理解

1、被踢出去的冰塊在摩擦力可以忽略的冰面上運動受沒受向前的力？為什么能夠向前運動？

2、船在水中勻速行駛，一人站在船尾向上豎直跳起，它會落入水中嗎？為什么？

3、為什么跳遠運動員要助跑才能跳的遠些？

4、在一向北勻速直線行駛的火車車廂中，一小球靜止在水平桌面上，當坐在桌旁的人看到小球向南滾動時，火車做什么運動？

物理學教案設計 物理教案簡案篇四

1、疏通文意，明確文言實詞、虛詞在文中的意思。

2、感受文章的內容，體會人物的心情和個性特點，感受兄弟親情。

一、課堂學習

1、你認為課文中哪些語句最能表達子猷與子敬的兄弟之情？“弦既不調”說明了什么，你理解“人琴俱亡”的含義了嗎？

2、王子猷是一個怎樣的人？你喜歡這個人物嗎？

3、課文描寫子猷先是“了不悲” “都不哭”，后又寫他“慟絕良久”，他前后的表現是否矛盾？為什么？

二、課外拓展：結合材料探究魏晉風度

材料一：《傷逝十二》郗嘉賓(郗超)喪,左右白郗公:“郎 喪”既聞不悲,因語左右:“殯時可道?！惫R殯,一慟幾絕。

材料二：《雅量謝公》東晉名相謝安的侄子在前線與八十萬秦兵作戰(zhàn)，這一戰(zhàn)關乎國家危亡，大勝后派人急來報捷。謝安當時正與客人下棋，看完后若無其事的繼續(xù)與客人慢慢下棋，客人問起也只淡淡地說小兒輩破大敵了。——這一戰(zhàn)關系到國之興亡、家之存絕，謝安不可能真的無動于衷，只是越是激動的重要時刻越平靜，才是超脫的風度。

明確：《人琴俱亡》是《世說新語傷逝》第十六篇，結合其余十八篇來看，《人琴俱亡》作為其中一篇還是較為集中的體現了魏晉時期文人士大夫的某種思想性格特點及其文化特征——在任由性情、不拘矩度、注重情感的個性表達的同時，還故作曠達追求一種超脫的風度，魏晉風度。所以子猷的不悲不哭正好體現了魏晉時代士人獨特的思想情感追求——他們注重真性情，追求個性的自由飛揚，同時又力求能擺脫世俗的一切利害得失、榮辱毀譽，尋求一種超然的風度。為此，盡管子敬很悲痛，卻還是要強自抑制。

閱讀下面的文言文，完成題目。

（甲）王子猷、子敬俱病篤，而子敬先亡。子猷問左右：“何以都不聞消息？此已喪矣。”語時了不悲。便索輿來奔喪，都不哭。

子敬素好琴，便徑入坐靈床上，取子敬琴彈，弦既不調，擲地云：“子敬子敬，人琴俱亡?！币驊Q絕良久。月余亦卒。

（乙）魏武將見匈奴使，自以形陋，不足雄遠國，使崔季硅代，帝自捉刀立床頭。既畢，令間諜問曰：“魏王如何？”匈奴使答曰：“魏王雅望非常；然床頭捉刀人，此乃英雄也。”魏武聞之，追殺此使。

1、給下列字注音

猷()篤()慟()輿()

2、解釋加點詞的含義。

王子猷、子敬俱病篤（）（）子敬素好琴（）

何以都不聞消息（）（）此乃英雄也（）

3、用現代漢語疏通下列句子的意思，加點字的意思要力求譯準。

（1）語時了不悲。

譯文：____________________________________________________________

（2）便索輿來奔喪。

譯文：____________________________________________________________

（3）便徑入坐靈床上。

譯文：____________________________________________________________

（4）因慟絕良久，月余亦卒。

譯文：____________________________________________________________

4、曹植有一首《七步詩》，和（甲）文都是寫 的，請你把它工整地寫在下面。

5、（甲）（乙）兩文都選自《世說新語》，（乙）文中的魏武就是曹操。文中的他是怎樣的形象？

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