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半导体材料的应用
半导体是一种重要的电子工业材料。用半导体材料制成的二极管、三极管等是各种电路的重要元件(图 1)。集成电路是半导体技术发展过程中形成的一个重要分支,生活中的智能家电、工业中的仪表机床、军事上的卫星导弹都离不开集成电路。集成了上亿个晶体管的芯片(图 2)因其技术含量极高,制造工艺复杂,成为半导体产业链上的掌上明珠。
跨学科实践任务
任务 1：体验半导体器材的简单应用,调查并了解半导体材料的应用对社会发展的影响。
(1)成立合作小组,将小组成员分工的信息记录在“小组信息”中,见表 1。
| 小组信息 | |
| 小组成员 | 成员分工 |
| | |
(2)了解实验室提供的发光二极管的物理参数,如工作电压和电流的范围等,记录在“发光二极管参数”中,见表 2。
| 发光二极管参数 | |
| 参数名称 | 参数值 |
| | |
(3)发光二极管在电路图中用符号“”表示。使图 3 中发光二极管的电流从左侧流入,右侧流出。先将图 3 所示电路图补充完整,然后合理选择器材,并按照图 3 所示电路图连接电路,使二极管发光。
(4)改变电路中的电流方向,二极管还能发光吗？比较发光二极管与普通小灯泡有何异同。
任务 2：小组共同绘制一份以“半导体材料的应用”为主题的科普海报。海报内容应包含：① 发光二极管(LED)的物理性质和应用场景。② 我国半导体工业的成就。③ 半导体芯片制造的主要难点。各小组交流分享学习心得并展示海报内容。
(1)海报的缩略图或照片(可以贴纸)。
(2)简述本小组海报的亮点。
(3)相邻两个小组交流分享海报内容,并为对方小组的海报提出修改建议。
(4)各小组派代表陈述本小组的调查结果。陈述内容应包含我国半导体工业的发展历程和所取得的重大成就,列举当前高端半导体芯片的广泛应用和制造难度。
评价与反思
| 评价项目 | 评价要点(☆☆☆) | 自评 | 互评 |
| 实践计划 | 能制订分工合理、任务明确、进度可行的实践计划 | | |
| | 能在规定的时间内完成计划 | | |
| 实践成果 | 能描述我国半导体工业的大致发展历程和重大成就 | | |
| | 能阐述半导体芯片制造的主要难点 | | |
| | 能正确连接电路使发光二极管正常发光,并说明发光二极管的主要物理性质 | | |
| | 能举例说明发光二极管的应用 | | |
| 信息搜集 | 能有效搜索所需学习资源,注意数据的可靠性和时效性 | | |
| | 能规范地标注引用数据、图片等相关信息的来源 | | |
| 交流合作 | 能利用数字设备开展交流活动 | | |
| | 在完成各自任务的同时,能与其他成员团结协作,开展合作 | | |
| | 在规定时间内完成展示,表达方式合理、流畅自然 | | |
评分方法: 完全符合评价要点得☆☆☆,部分符合得☆☆,少量符合得☆
半导体是一种重要的电子工业材料。用半导体材料制成的二极管、三极管等是各种电路的重要元件(图 1)。集成电路是半导体技术发展过程中形成的一个重要分支,生活中的智能家电、工业中的仪表机床、军事上的卫星导弹都离不开集成电路。集成了上亿个晶体管的芯片(图 2)因其技术含量极高,制造工艺复杂,成为半导体产业链上的掌上明珠。
跨学科实践任务
任务 1：体验半导体器材的简单应用,调查并了解半导体材料的应用对社会发展的影响。
(1)成立合作小组,将小组成员分工的信息记录在“小组信息”中,见表 1。
| 小组信息 | |
| 小组成员 | 成员分工 |
| | |
(2)了解实验室提供的发光二极管的物理参数,如工作电压和电流的范围等,记录在“发光二极管参数”中,见表 2。
| 发光二极管参数 | |
| 参数名称 | 参数值 |
| | |
(3)发光二极管在电路图中用符号“”表示。使图 3 中发光二极管的电流从左侧流入,右侧流出。先将图 3 所示电路图补充完整,然后合理选择器材,并按照图 3 所示电路图连接电路,使二极管发光。
(4)改变电路中的电流方向,二极管还能发光吗？比较发光二极管与普通小灯泡有何异同。
任务 2：小组共同绘制一份以“半导体材料的应用”为主题的科普海报。海报内容应包含：① 发光二极管(LED)的物理性质和应用场景。② 我国半导体工业的成就。③ 半导体芯片制造的主要难点。各小组交流分享学习心得并展示海报内容。
(1)海报的缩略图或照片(可以贴纸)。
(2)简述本小组海报的亮点。
(3)相邻两个小组交流分享海报内容,并为对方小组的海报提出修改建议。
(4)各小组派代表陈述本小组的调查结果。陈述内容应包含我国半导体工业的发展历程和所取得的重大成就,列举当前高端半导体芯片的广泛应用和制造难度。
评价与反思
| 评价项目 | 评价要点(☆☆☆) | 自评 | 互评 |
| 实践计划 | 能制订分工合理、任务明确、进度可行的实践计划 | | |
| | 能在规定的时间内完成计划 | | |
| 实践成果 | 能描述我国半导体工业的大致发展历程和重大成就 | | |
| | 能阐述半导体芯片制造的主要难点 | | |
| | 能正确连接电路使发光二极管正常发光,并说明发光二极管的主要物理性质 | | |
| | 能举例说明发光二极管的应用 | | |
| 信息搜集 | 能有效搜索所需学习资源,注意数据的可靠性和时效性 | | |
| | 能规范地标注引用数据、图片等相关信息的来源 | | |
| 交流合作 | 能利用数字设备开展交流活动 | | |
| | 在完成各自任务的同时,能与其他成员团结协作,开展合作 | | |
| | 在规定时间内完成展示,表达方式合理、流畅自然 | | |
评分方法: 完全符合评价要点得☆☆☆,部分符合得☆☆,少量符合得☆
答案
任务1
（1）
| 小组成员 | 成员分工 |
|----------------|--------------------------|
| 张三、李四、王五 | 张三：资料搜集；李四：实验操作；王五：记录与汇报 |
（2）
| 参数名称 | 参数值 |
|----------------|----------------------|
| 工作电压 | 1.8~3.2 V |
| 工作电流 | 5~20 mA |
（3）
补充电路图：电源、开关、限流电阻（约100Ω）、发光二极管串联，电流从二极管左侧流入（正极）、右侧流出（负极）。
器材选择：干电池（3V）、开关、100Ω电阻、发光二极管、导线若干。
（4）
改变电流方向后，二极管不能发光（单向导电性）。
异同：
相同点：均能将电能转化为光能。
不同点：LED具有单向导电性，工作电压/电流小（节能），寿命长；普通小灯泡双向导电，工作电压较高（如2.5V），电能转化为内能和光能（效率低），寿命较短。
任务2
（2）海报亮点：
1. 采用“物理性质-应用-国家成就”逻辑结构，层次清晰；
2. 插入LED实物图、芯片制造流程图，图文结合；
3. 重点标注我国半导体工业里程碑事件（如中芯国际14nm工艺量产）。
（3）修改建议（示例）：
对方小组可增加“半导体材料分类”板块，补充硅、锗等基础材料介绍；
建议用时间轴展示我国半导体发展历程，更直观。
（4）调查结果陈述：
发展历程与成就：
1950s起步，1965年研制出第一块硅集成电路；2020年中芯国际14nm工艺量产，华为海思推出5G基站芯片；2023年长江存储实现128层闪存量产。
高端芯片应用：5G基站、人工智能（AI）处理器、航天卫星、新能源汽车自动驾驶系统。
制造难点：
1. 光刻机精度要求（如EUV光刻机分辨率达7nm）；
2. 晶圆材料纯度（需99.9999%以上）；
3. 纳米级工艺控制（如离子注入深度误差＜1nm）。
评价与反思（示例）
| 评价项目 | 评价要点 | 自评 | 互评 |
|------------|-----------------------------------|------|------|
| 实践计划 | 分工合理、任务明确、进度可行 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| | 按时完成计划 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| 实践成果 | 描述我国半导体工业历程与成就 | ☆☆☆ | ☆☆ |
| | 阐述芯片制造难点 | ☆☆ | ☆☆☆ |
| | 正确连接电路并说明LED性质 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| | 举例LED应用（如手机屏幕、路灯） | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| 信息搜集 | 资源可靠（引用工信部数据） | ☆☆☆ | ☆☆ |
| | 规范标注来源（如“中国半导体行业协会，2023”） | ☆☆ | ☆☆☆ |
| 交流合作 | 用PPT展示、小组讨论积极 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| | 协作完成任务 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| | 表达流畅、时间控制得当 | ☆☆ | ☆☆☆ |
（1）
| 小组成员 | 成员分工 |
|----------------|--------------------------|
| 张三、李四、王五 | 张三：资料搜集；李四：实验操作；王五：记录与汇报 |
（2）
| 参数名称 | 参数值 |
|----------------|----------------------|
| 工作电压 | 1.8~3.2 V |
| 工作电流 | 5~20 mA |
（3）
补充电路图：电源、开关、限流电阻（约100Ω）、发光二极管串联，电流从二极管左侧流入（正极）、右侧流出（负极）。
器材选择：干电池（3V）、开关、100Ω电阻、发光二极管、导线若干。
（4）
改变电流方向后，二极管不能发光（单向导电性）。
异同：
相同点：均能将电能转化为光能。
不同点：LED具有单向导电性，工作电压/电流小（节能），寿命长；普通小灯泡双向导电，工作电压较高（如2.5V），电能转化为内能和光能（效率低），寿命较短。
任务2
（2）海报亮点：
1. 采用“物理性质-应用-国家成就”逻辑结构，层次清晰；
2. 插入LED实物图、芯片制造流程图，图文结合；
3. 重点标注我国半导体工业里程碑事件（如中芯国际14nm工艺量产）。
（3）修改建议（示例）：
对方小组可增加“半导体材料分类”板块，补充硅、锗等基础材料介绍；
建议用时间轴展示我国半导体发展历程，更直观。
（4）调查结果陈述：
发展历程与成就：
1950s起步，1965年研制出第一块硅集成电路；2020年中芯国际14nm工艺量产，华为海思推出5G基站芯片；2023年长江存储实现128层闪存量产。
高端芯片应用：5G基站、人工智能（AI）处理器、航天卫星、新能源汽车自动驾驶系统。
制造难点：
1. 光刻机精度要求（如EUV光刻机分辨率达7nm）；
2. 晶圆材料纯度（需99.9999%以上）；
3. 纳米级工艺控制（如离子注入深度误差＜1nm）。
评价与反思（示例）
| 评价项目 | 评价要点 | 自评 | 互评 |
|------------|-----------------------------------|------|------|
| 实践计划 | 分工合理、任务明确、进度可行 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| | 按时完成计划 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| 实践成果 | 描述我国半导体工业历程与成就 | ☆☆☆ | ☆☆ |
| | 阐述芯片制造难点 | ☆☆ | ☆☆☆ |
| | 正确连接电路并说明LED性质 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| | 举例LED应用（如手机屏幕、路灯） | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| 信息搜集 | 资源可靠（引用工信部数据） | ☆☆☆ | ☆☆ |
| | 规范标注来源（如“中国半导体行业协会，2023”） | ☆☆ | ☆☆☆ |
| 交流合作 | 用PPT展示、小组讨论积极 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| | 协作完成任务 | ☆☆☆ | ☆☆☆ |
| | 表达流畅、时间控制得当 | ☆☆ | ☆☆☆ |
