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元素周期表应用
鲁科版高一化学必修2第 1 章原子结构 元素周期律第3节
——解密硅半导体原理

【总任务】
如果你是一名太阳能电池工程师，要寻找性能良好的太阳能电池材料。
【问题组1】
1. 从晶体Si的微观结构分析为何硅能做半导体材料呢？
任务一 铵态氮肥的生产
任务一 解密硅的半导体原理
任务一 铵态氮肥的生产
任务一 解密硅的半导体原理
通过向硅单质中“掺杂”其他元素，能够增强导电性。这是因为加入的其他原子的最外层电子数不同于硅原子，从而打破硅单质中稳定的晶体结构，使得多出的电子可以在晶体中移动，成为可以形成电流的自由电子。
掺杂某些元素后有多余的电子形成了移动的自由电子，带负电，叫N型半导体。掺杂某些元素后会产生空穴，使电子在空穴中迁入和迁出，带正电，叫P型半导体。
资料在线①
【问题组1】
2. 根据给出的资料，结合硅的结构示意图分析哪些元素可以掺杂到硅中增强导电性呢?
任务一 铵态氮肥的生产
掺杂磷的硅晶体
向硅晶体中掺进少量P元素，除了一些必要的电子用于维持晶体结构外，多出的电子形成了可以移动的自由电子，从而形成电流。像硅晶体掺有磷的半导体称为N型半导体，因存在多余的电子，带负电。
任务一 解密硅的半导体原理
任务一 铵态氮肥的生产
掺杂硼的硅晶体
掺杂最外层电子数较少的B元素，这种最外层电子数少于 4 个的非金属元素，导致应该存在电子的区域产生空穴，使得电子即可在这些空穴中迁入和迁出，从而产生电流。这样通过空穴导电的半导体称为P型半导体，因为缺电子表现出类似正电荷在晶体中“跑动”的特点。
任务一 解密硅的半导体原理
任务一 铵态氮肥的生产
Si 元素称为半导体元素，半导体材料特指导电能力介于导体与绝缘体之间的一类材料。半导体的导电性可以通过掺入其他元素进行调节，最终得到 带 正 电 的 P ( positive )型半导 体 和 带 负 电 N( negative) 型半导体。当两类半导体结合时即可形成电势差，从而可以作为电源使用。
PN结
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层。由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，两边的电子出现浓度差时，就会导致界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这时N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，这样一个特殊的薄层就会形成电势差，从而形成PN结。当晶片受光后，PN结中N型半导体的空穴往P区移动，P区中的电子往N区移动，从而形成从N区到P区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。
资料在线②
任务一 解密硅的半导体原理
任务一 铵态氮肥的生产
任务一 解密硅的半导体原理
【深度思考】基于硅做半导体的原理探究，你是否能总结分析物质性质的新角度呢？
要求：依据上节课建立的“位—构—性”从属关系模型的基础上继续完善模型，将写有下列名词的磁力卡片进行合理排列并说明内在关联。“物质组成结构、物质的性质、物质用途”。
元素位置
原子结构
元素性质
物质性质
物质用途
物质组成
结构
反映
决定
反映
反映
决定
反映
反映
决定
反映
决定
决定
反映
化合价
原子半径
原子得失电子能力
最外层电子数
电子层数
核电荷数
周期
族
原子序数
物理性质
模型建构
元素Si
【问题组2】
1. 预测碱金属元素原子失电子能力的变化情况，从原子结构角度进行解释说明。
任务一 铵态氮肥的生产
任务二 寻找硅的掺杂元素
【问题组2】
2. Na、K与水反应现象的相同点与不同点是什么？
3. 碱金属元素与水反应剧烈程度增强，说明了同主族元素的金属性如何变化？原子失电子能力和单质的还原性如何变化？最高价氧化物对应水化物的碱性如何变化?
4. 推测碱金属元素与O2反应的剧烈程度。
任务一 铵态氮肥的生产
任务二 寻找硅的掺杂元素
1. 单质与水（酸）的反应置换氢气越容易，表明失电子能力越强；
2. 一般来说，元素最高价氧化物的水化物碱性越强，表明失电子能力越强。
资料在线③
【证据推理】请依据证据，说明ⅠA族碱金属元素不能作为硅的掺杂元素的原因。
任务一 铵态氮肥的生产
任务二 寻找硅的掺杂元素
任务一 铵态氮肥的生产
【深度思考】探究了碱金属元素性质的相似性和递变性规律之后，分析物质化学性质又有了哪些新的角度呢？
要求：在建立的“位—构—性”从属关系模型的基础上继续完善，将写有下列名词的磁力卡片进行合理排列并说明内在关联。“还原性、相似性、递变性”。
任务二 寻找硅的掺杂元素
元素位置
原子结构
元素性质
物质性质
物质用途
物质组成
结构
反映
决定
反映
反映
决定
反映
反映
决定
反映
决定
决定
反映
化合价
原子半径
原子得失电子能力
最外层电子数
电子层数
核电荷数
周期
族
原子序数
化学
性质
还原性
相似性
递变性
完善模型
物理性质
物质Si
元素Si
任务一 铵态氮肥的生产
【问题组3】
1. 根据ⅠA族碱金属元素性质预测卤族元素性质的相似性与递变性，
从原子结构角度进行解释说明。
任务二 寻找硅的掺杂元素
元素原子得电子能力强弱判断
1.元素单质与氢气反应的难易程度及生成的气态氢化物的稳定性可以判断元素原子得电子能力强弱。一般来说，反应越容易进行，生成的气态氢化物越稳定，表明元素原子得电子能力越强。
2.一般来说，元素最高价氧化物的水化物酸性越强，表明得电子能力越强。
资料在线④
任务一 铵态氮肥的生产
【微型实验用品】
液体：NaC1O溶液 0.1mol/L（1支）、盐酸0.1mol/L (1支)、NaBr 0.1mol/L
（1支）、KI 0.1mol/L（1 支）、淀粉（1支）
其他：空试剂瓶（1个）、点滴板（1片）、湿巾（1片）、指甲剪（1个）
【小组合作请注意】合理分工，共同操作，不忘记录，完成表格填写。 实验结束后立即共同思考讨论【问题组3】的2和3两个问题。
【活动1】证明卤族元素单质氧化性的强弱
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}预测
实验方案
实验原理
（离子方程式）
实验现象
实验结论
任务二 寻找硅的掺杂元素
任务一 铵态氮肥的生产
【问题组3】
2. 从实验中还能获得其他证据证明卤素原子得电子能力的强弱吗？说明原因。
3. 请依据证据，说明ⅦA族卤族元素不能作为硅的掺杂元素的原因。
任务二 寻找硅的掺杂元素
任务一 铵态氮肥的生产
任务二 寻找硅的掺杂元素
任务一 铵态氮肥的生产
任务二 寻找硅的掺杂元素
硅的掺杂元素
掺杂元素通常选择ⅢA和ⅤA族的元素，其中B和P最为常见。
氮（N）：理论上可行，但氮在硅中溶解度极低，实际很少用。
磷（P）： 与硅晶格匹配好，电子迁移率高
砷（As）：扩散速率慢，适合高精度掺杂
锑（Sb）：大原子半径，易引起晶格畸变
硼（B）： 掺杂均匀，工艺成熟
铝（Al）：易扩散，但易导致缺陷
镓（Ga）：高温稳定性好
资料在线⑤
任务一 铵态氮肥的生产
【深度思考】探究了卤族元素性质的相似性和递变性规律之后，在分析物质的化学性质时又增加了什么新的角度呢？
任务二 寻找硅的掺杂元素
要求：继续完善模型，将写有名词“氧化性”的磁力卡片进行合理排列并说明内在关联。
元素位置
原子结构
元素性质
物质性质
物质用途
物质组成
结构
反映
决定
反映
反映
决定
反映
反映
决定
反映
决定
决定
反映
化合价
原子半径
原子得失电子能力
最外层电子数
电子层数
核电荷数
周期
族
原子序数
化学
性质
氧化性
还原性
同类别性质
相似性
递变性
物理性质
（同周期）
（同主族）
元素Si
物质Si
完善模型
通过元素周期表应用——解密硅半导体原理这个项目的学习，你的收获有哪些？
课堂小结
探讨锗（Ge）和镓（Ga）的性质，以及他们的单质或化合物在半导体材料中的应用潜力，以海报或小论文的形式呈现。
课后任务
学必探其本，行必赴其艰

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