思政案例：电路分析基础【半导体基础知识】

编辑团队：信息分社党支部

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半导体基础知识

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案例简介与教学目标

本部分内容处于整门课程的开始部分，主要介绍了半导体、本征半导体、杂质半导体、PN结。本部分的教学目标如下。

1． 知识传授层面

(1) 了解半导体、本征半导体的概念和特点。

(2) 掌握杂质半导体的概念和特点。

(3) 掌握PN结的形成及其单向导电性。

2． 能力培养层面

(1) 培养学生对模拟电子技术的基本概念和理论的理解与掌握。

(2) 培养学生的分析问题能力和思维判断能力。

(3) 培养学生将理论知识应用于实际工程的能力。

3． 价值塑造层面

(1) 拥护中国共产党的领导，坚定四个自信。

(2) 加强爱国主义教育,培养学生家国情怀。

(3) 激发学生学习先进技术、报效祖国的热情。

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案例教学设计

1． 教学方法

本部分内容从半导体的概念开始，逐层递进，重点讲述本征半导体、杂质半导体(包括N、P型半导体)，最后导入PN结的内容。重点讲解杂质半导体、PN结的结构，使学生在物理材料层面，对模拟电路中常用器件二极管、三极管有基本认识。在讲解半导体材料、杂质半导体、PN结内容中融入思政元素。

思政元素 /

融入点

从半导体材料引出国内外关键半导体材料生产现状。

融入方式

举例： 为反制国外对我国半导体技术封锁，我国对半导体关键材料镓、锗进行出口管制，镓和锗是半导体产业中不可或缺的元素，广泛应用于高端芯片、光电器件、太阳能电池等领域。我国是全球最大的镓和锗生产国和消费国；我国用于生产芯片的高纯硅以前几乎完全依赖进口，大规模工业化提纯技术掌握在国外企业手里，现在这种局面得到了改善，我国的电子级多晶硅开始实现量产，以后能够支撑起“中国芯”的腾飞。

2． 详细教案

教学内容

1) 半导体材料

(1) 物质的分类(按导电性)。

① 导体（导电性能好）： 低价元素(如Cu、Al等)。

② 绝缘体（导电性能极差）： 高价元素(如惰性气体)或高分子物质(如橡胶)。

③ 半导体（导电性能介于导体和绝缘体之间）： 四价元素(如Si、Ge等)。

(2) 本征半导体。

① 定义： 纯净的、晶体结构完整的半导体，其结构如图3-2-1所示。

■ 图3-2-1本征半导体的结构

② 本征激发： 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对。

③ 复合： 自由电子与空穴相碰，同时消失。

④ 温度影响： 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定。

温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。

思政元素 /

融入点

从半导体掺杂工艺引出国内外芯片制造设备现状。

融入方式

举例： 光刻设备属于高精端产品，长期依赖进口。为限制我国半导体技术的发展，美、日、荷签订三方协议，封锁核心半导体设备材料对我国市场的供应。为保证国家安全，光刻设备的自主可控需求日益突出，促使我国加快光刻机国产化进程。目前，上海微电子可生产90nm及以上制程的光刻机，28nm的DUV光刻机已在研发和调试中，国产光刻机未来具有较大发展空间。

通过上述介绍，使学生了解国内外集成电路发展现状，培养爱国情怀，激发学习先进技术、报效祖国的热情。

2) 杂质半导体

在本征半导体中，掺入一定量的杂质元素，就形成杂质半导体。

(1) N型半导体。

① 定义： 在本征半导体Si中，掺入五价杂质(磷、砷等，见图3-2-2)，称之为N型(电子型)半导体。

■ 图3-2-2N型半导体

② 施主原子： 由于五价原子贡献出一个自由电子，因此称之为施主原子。施主原子因失去一个电子而成为正离子。

③ 导电性： N型半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强。

■ 图3-2-3P型半导体

(2) P型半导体。

① 定义： 在本征半导体Si中,掺入三价杂质(如硼、镓等，见图3-2-3)，称之为P型(空穴型)半导体。

② 受主原子： 三价原子留下的空位容易吸收电子，使杂质原子成为负离子。杂质原子因此被称为受主原子。

③ 导电性： P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。

(3) 导电性可控。

杂质半导体主要靠多数载流子（多子）导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。

思政元素 /

融入点

从PN结的形成引出团结协作、融入集体的重要性。

融入方式

举例： 单独的P型或者N型半导体的实际用处不大，但是二者结合在一起，就能形成具有单向导电性这一重要功能的PN结构。没有完美的个人,只有完美的集体。团队精神是大局意识、协作精神和服务精神的集中体现。

团结协作并不是要求个人牺牲自我，而是像PN结中的P型半导体和N型半导体一样，挥洒个性、表现特长，产生真正的内心动力，保证团队共同完成任务目标。

3) PN结

在一块本征半导体上，通过不同的掺杂工艺，其形成相邻的P型和N型半导体区，在接触区的界面处会形成PN结。

(1) PN结的形成。

① 扩散运动： 浓度差引起的多数载流子扩散运动(见图3-2-4)。

扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、N区的自由电子浓度降低，产生内电场。

■ 图3-2-4载流子扩散运动

思政元素 /

融入点

从PN结的单向导电性引出抓住主要矛盾。

融入方式

举例： PN结的单向导电性并不是绝对的反向截止，会有漏电流的存在。从整体上看，漏电流很小，不会改变PN结的单向导电性。因此，在理论分析和实际应用中，可以忽略漏电流的影响。

无论是日常的学习、工作，还是在党和国家的伟大事业中，能不能沿着正确方向前进，取决于能否准确认识和把握主要矛盾、确定中心任务。

习近平总书记指出： “面对复杂形势、复杂矛盾、繁重任务，没有主次，不加区别，眉毛胡子一把抓，是做不好工作的。” 全力找出、紧紧抓住、优先解决主要矛盾和矛盾的主要方面，是推动事物发展的关键。

内电场阻止空穴从P区向N区、自由电子从N区向P区运动，从而阻止扩散运动的进行。

② 漂移运动： 内电场作用下少数载流子的定向运动(见图3-2-5)。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同。

■ 图3-2-5漂移运动

③ 总结： 浓度差→扩散运动→形成耗尽层(空间电荷区)→产生内电场→阻碍多子扩散，有助于少子漂移→动态平衡→形成PN结。

(2) PN结的单向导电性。

① 正向导通： PN结正向偏置→空间电荷区变窄→正向电阻很小(理想时为0)→正向电流较大→PN结导通(见图3-2-6)。

■ 图3-2-6单向导电性

② 反向截止： PN结反向偏置→空间电荷区变宽→反向电阻很大(理想时为∞)→反向电流(反向饱和电流)极小(理想时为0)→PN结截止。

③ 单向导电性： PN结正向偏置时导通，反向偏置时截止。

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教学效果及反思

通过本次教学，学生可以学习到模拟电子技术中核心器件三极管的构成材料，掌握掺入不同杂质构成的N型和P型半导体，以及这两种半导体的特性； 掌握PN的结构及特性； 培养学生分析问题能力和思维判断能力，培养学生将理论知识应用于实际工程的能力； 在教学过程中引入思政元素，让学生意识到我国在半导体技术发展方面与国外的差距，尤其是在中美对抗的背景下，半导体技术被美日欧“卡脖子”的情况下，更需加强爱国主义教育，培养学生家国情怀，激发学生学习先进技术、报效祖国的热情； 让学生认识到团结协作，抓住主要矛盾的重要性，在未来学习和工作中，更好地融入集体、融入祖国建设中。

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参考书籍

教材中从哪些角度融入思政内容

本书聚焦电子信息类专业基础课的课程思政教育，汇聚“电子信息基础课程虚拟教研室”广大教师在自身教学过程中进行课程思政建设和教学的优秀成果，根据学科专业特色和育人目标，深度挖掘提炼专业知识体系中所蕴含的思想价值和精神内涵，结合课程特点进行课程思政案例设计。

（1）案例教学设计与思政元素的融合：在电路分析基础、模拟电子技术、数字电路、信号与系统、电磁场与电磁波等课程的教学案例中，深入挖掘并融入了思政元素。

（2）课程思政元素覆盖范围广：思政元素涵盖科学思维、分析能力、科学精神、人文素养、职业道德、工匠精神、家国情怀、辩证观、科学观、人生观、价值观等方面。

（3）思政元素融入方式巧妙：根据电子信息类专业知识中蕴含的思想价值和精神内涵，在课程教学中从不同方面无缝融入思政元素，科学合理地拓展专业课程的广度、深度和温度。