Разработка урока по физике на тему "электрический ток в полупроводниках". Примерный план-конспект первого урока Тема: Классификация и основные свойства

Тема урока: "Полупроводниковые приборы. Диоды"

Цель и задачи занятия:

Образовательные:

формирование первоначального понятия о назначении, действии и основном свойстве полупроводниковых диодов.

Воспитательные:

сформировать культуру умственного труда, развитие качеств личности - настойчивость, целеустремленность, творческую активность, самостоятельность.

Развивающие:

обучение применению свойства односторонней проводимости.

Материально техническое оснащение урока:

рабочие тетради, компьютер преподавателя, интерактивная доска, прзентация на тему

Ход занятия:

1. Организационный момент:

(Задача: создание благоприятного психологического настроя и активация внимания).

2. Подготовка к повторению и обобщению пройденного материала

Что такое электрический ток.

Сила тока, единицы измерения.

p – n переход.

Полупроводники.

Сообщение темы и цели занятия.

Полупроводники. Диоды.

Объяснение перспективы.

Чтобы изучить современную электронику, надо, прежде всего, знать принципы устройства и физические основы работы полупроводниковых приборов, их характеристики и параметры, а также важнейшие свойства, определяющие возможность их применения в электронной аппаратуре.

Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры и массу аппаратуры. Минимальная мощность для питания электронной лампы составляет 0,1 Вт, а для транзистора она может быть 1мкВт, т.е. в 100000 раз меньше.

3. Основной этап.

Новый материал

Все вещества, встречающиеся в природе, по своим электропроводным свойствам делятся на три группы:

Проводники,

изоляторы (диэлектрики),

полупроводники

К полупроводникам относится гораздо больше веществ, чем к проводникам и изоляторам. В изготовлении радиоприборов наибольшее распространение получили 4-х валентные германий Ge и кремний Si.

Электрический ток полупроводников обуславливается движением свободных электронов и так называемых "дырок".

Свободные электроны, покинувшие свои атомы, создают n- проводимость (n - первая буква латинского слова negativus - отрицательный). Дырки создают в полупроводнике р - проводимость (р - первая буква латинского слова positivus- положительный).

В чистом проводнике число свободных электронов и дырок одинаково.

Добавляя примеси, можно получить полупроводник с преобладанием электронной или дырочной проводимостью.

Важнейшее свойство р- и n- полупроводников - односторонняяя проводимость в месте спайки. Эта спайка называется p-n переходом.

В 4-х валентный кристалл германия (кремния) добавить 5-ти валентный мышьяк (сурьму) то получим n - проводник.

При добавлении 3-х валентного индия, получим р - проводник.

Когда "плюс" источника соединен с р- областью, говорят что переход включен в прямом направлении, а когда минус источника тока соединен с р- областью, переход включен в обратном направлении.

Одностороння проводимость р и n перехода является основой действия полупроводниковых диодов, транзисторов и др.

Имея представление о полупроводнике, теперь приступим к изучению диода.

Приставка "ди" - означает два, указывающая на две примыкающие зоны разной проводимости.

Вентиль велосипедной шины (нипель). Воздух через него может проходить лишь в одном направлении - внутрь камеры. Но существует и электрический вентиль. Это диод - полупроводниковая деталь с двумя проволочными выводами с обоих концов.

По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными или точечными.

Плоскостные диоды имеют большую площадь электронно- дырочного перехода и применяются в цепях, в которых протекают большие токи.

Точечные диоды отличаются малой площадью электронно-дырочного перехода и применяются в цепях с малыми токами.

Условно-графическое обозначение диода. Треугольник соответствует р- области и называется анодом, а прямолинейный отрезок, называется катодом, представляет n- область.

В зависимости от назначения диода его УГО может иметь дополнительные символы.

Основные параметры, по которым характеризуются диоды.

Прямой ток диода.

Обратный ток диода.

Закрепление материала.

Изменение полярности подключения источника питания в цепи, содержащей полупроводниковый диод.

Соединяем последовательно батарею 3336Л и лампочку накаливания МН3,5 – 0.28 (на напряжение 3.5В и ток накала 0.28А) и подключаем эту цепь к сплавному диоду из серии Д7 или Д226 так, чтобы на анод диода непосредственно или через лампочку подавалось положительное, а на катод – отрицательное напряжение батареи (рис 3, рис.4). Лампочка должна гореть полным накалом. Затем изменяем полярность подключения цепи “батарея – лампочка” на обратную (рис. 3, рис.4). Если диод исправный – лампочка не горит. В этом опыте лампочка накаливания выполняет двойную функцию: служит индикатором тока в цепи и ограничивает ток в этой цепи до 0.28А, тем самым защищая диод от перегрузки. Последовательно с батареей и лампочкой накаливания можно включить еще миллиамперметр на ток 300…500мА, который бы фиксировал прямой и обратный ток через диод.

4.Контрольный момент:

Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника постоянного тока, микродвигателя, 2-х диодов, так, чтобы с помощью выключателей изменять направление вращение ротора микродвигателя.

Определите полюса батареи для карманного фонаря с помощью полупроводникового диода.

Самостоятельно изучите проводимость диода на демонстрационном стенде. Изучение односторонней проводимости диода.

5.Итоговый момент:

оценка успешности в достижении задач занятия (как работали, что узнали или усвоили)

6. Рефлективный момент:

определение результативности и полезности занятия через самооценку воспитанников.

7. Информационный момент:

определение перспектив следующего занятия .

8. Домашнее задание

Для закрепления пройденного материала, подумайте над следующими задачами и приведите их решение:

Как с использованием полупроводникового диода защитить радиоаппаратуру от переполюсовки?

Имеется электрическая цепь, в которую входят четыре последовательно соединенных элемента – две лампочки а и б и два выключателя А и Б. При этом каждый выключатель зажигает только одну, только “свою” лампочку. Для того, чтобы зажечь обе лампочки, нужно одновременно замкнуть оба выключателя.

УРОК 10/10

Тема. Электрический ток в полупроводниках

Цель урока: сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках и о природе электрического тока в полупроводниках.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний		1. Электрический ток в металлах. 2. Электрический ток в электролитах. 3. Закон Фарадея для электролиза. 4. Электрический ток в газах
Демонстрации		Фрагменты видеофильма «Электрический ток в полупроводниках»
Изучение нового материала		1. Носители зарядов в полупроводниках. 2. Примесная проводимость полупроводников. 3. Электронно-дырочный переход. 4. Полупроводниковые диоды и транзисторы. 5. Интегральные микросхемы
Закрепление изученного материала		1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Удельные сопротивления полупроводников при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале, т. е. от 10-3 до 107 Ом·м, и занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками.

Ø Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро убывает с повышением температуры.

К полупроводникам относятся многие химические элементы (бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.), огромное количество минералов, сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира - полупроводники.

За достаточно низких температур и отсутствия внешних воздействий (например, освещения или нагрев) полупроводники не проводят электрический ток: при этих условиях все электроны в полупроводниках являются связанными.

Однако связь электронов со своими атомами в полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в случае повышения температуры, а так же за яркого освещения некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными зарядами, то есть могут перемещаться по всему образцу.

Благодаря этому в полупроводниках появляются отрицательные носители заряда - свободные электроны.

Ø Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной.

Когда электрон отрывается от атома, положительный заряд этого атома становится некомпенсированным, то есть в этом месте появляется лишний положительный заряд. Этот положительный заряд называют «дыркой». Атом, вблизи которого образовалась дырка, может отобрать связанный электрон у соседнего атома, при этом дырка переместится до соседнего атома, а атом, в свою очередь, может «передать» дырку дальше.

Такое «естафетне» перемещение связанных электронов можно рассматривать как перемещение дырок, то есть положительных зарядов.

Ø Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называют дырочной.

Таким образом, различие дырочной проводимости от электронной заключается в том, что электронная проводимость обусловлена перемещением в полупроводниках свободных электронов, а дырочная - перемещением связанных электронов.

Ø В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток создает одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такую проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.

Если добавить в чистый расплавленный кремний незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после твердения образуется обычная кристаллическая решетка кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния будут находиться атомы мышьяка.

Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Чотиривалентні электроны образуют парные электронные связи с соседними атомами кремния. Пятом же валентному электрону связи не хватит, при этом он будет слабо связан с атомом Мышьяка, который легко становится свободным. В результате каждый атом примеси даст один свободный электрон.

Ø Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными.

Электроны из атомов кремния могут становиться свободными, образуя дыру, поэтому в кристалле могут одновременно существовать и свободные электроны и дырки. Однако свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n -типа.

Если в кремний добавить незначительное количество трехвалентного индия, то характер проводимости полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три валентных электрона, то он может установить ковалентная связь только с тремя соседними атомами. Для установки связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий «одолжит» электрон у соседних атомов, в результате каждый атом Индия образует одно вакантное место - дырку.

Ø Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными.

В случае акцепторной примеси основными носителями заряда при прохождении электрического тока через полупроводник есть дыры. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р -типа.

Практически все полупроводники содержат и донорные, и акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника определяет примесь с более высокой концентрацией носителей заряда - электронов и дырок.

Следовательно, через границу раздела полупроводников n -типа и р-типа электрический ток идет только в одном направлении - от полупроводника p -типа к полупроводнику n -типа.

Это используют в устройствах, которые называют диодами.

Полупроводниковые диоды используют для выпрямления переменного тока направлении (такой ток называют переменным), а также для изготовления светодиодов. Полупроводниковые выпрямители имеют высокую надежность и длительный срок использования.

Широко применяют полупроводниковые диоды в радиотехнических устройствах: радиоприемниках, видеомагнитофонах, телевизорах, компьютерах.

Еще более важным применением полупроводников стал транзистор. Он состоит из трех слоев полупроводников: по краям расположены полупроводники одного типа, а между ними - тонкий слой полупроводника другого типа. Широкое применение транзисторов обусловлено тем, что с их помощью можно усиливать электрические сигналы. Поэтому транзистор стал основным элементом многих полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые диоды и транзисторы являются «кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют интегральными микросхемами.

Микросхемы «работают» сегодня в компьютерах и телевизорах, в мобильных телефонах и искусственных спутниках, в автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах. Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния. Размер пластинки - от миллиметра до сантиметра, причем на одной такой пластинке может размещаться до миллиона компонентов - крошечных диодов, транзисторов, резисторов и т. др.

Важными преимуществами интегральных схем является высокое быстродействие и надежность, а также низкая стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но доступные многим приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники.

ВОПРОСЫ К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какие вещества можно отнести к полупроводниковым?

2. Движением каких заряженных частиц создается ток в полупроводниках?

3. Почему сопротивление полупроводников очень сильно зависит от наличия примесей?

4. Как образуется p -n -переход? Какое свойство имеет p -n -переход?

5. Почему свободные носители зарядов не могут пройти сквозь p -n -переход полупроводника?

Второй уровень

1. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок?

2. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода?

3. Можно ли получить р-n -переход, выполнив вплавления олова в германий или кремний?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы?

2. Какая проводимость (электронная или дырочная) будет в кремния, если к нему добавить фосфор? бор? алюминий? мышьяк?

3. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация атомов Фосфора и Галлия одинакова. (Ответ: увеличится)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

· Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро снижается с повышением температуры.

· Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной.

· Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называют дырочной.

· Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными.

· Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n -типа.

· Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными.

· Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа.

· Контакт двух полупроводников с различными видами проводимости имеет свойства хорошо проводить ток в одном направлении и значительно хуже в противоположном направлении, то есть имеет одностороннюю проводимость.

Рів1 № 6.5; 6.7; 6.15; 6.17.

Рів2 № 6.16; 6.18; 6.24, 6.25.

Рів3 № 6.26, 6.28; 6.29; 6.30.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 4.

Физические свойства полупроводников Полупроводники́ материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. Хорошо проводят электрический ток К ним относятся металлы, электролиты, плазма … Наиболее используемые проводники – Au, Ag, Cu, Al, Fe … Хорошо проводят электрический ток К ним относятся металлы, электролиты, плазма … Наиболее используемые проводники – Au, Ag, Cu, Al, Fe … Практически не проводят электрический ток К ним относятся пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага … Практически не проводят электрический ток К ним относятся пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага … Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками Si, Ge, Se, In, As Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками Si, Ge, Se, In, As

Физические свойства полупроводников R (Ом) t (0 C) R0R0 металл полупроводник Проводимость полупроводников зависит от температуры. В отличие от проводников, сопротивление которых возрастает с ростом температуры, сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается. Вблизи абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Электрический ток в полупроводниках Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры К полупроводникам относятся кремний, германий, селен и др. Связь между атомами – парно электронная, или ковалентная При низких температурах связи не разрываются

Собственная проводимость полупроводников При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит электрический ток. Si

«Дырка» При нагревании кинетическая энергия электронов увеличивается и самые быстрые из них покидают свою орбиту. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. В этом месте образуется условный положительный заряд, называемый «дыркой». Si дырка + + свободный электрон

Примесная проводимость полупроводников Дозированное введение в чистый проводник примесей позволяет целенаправленно изменять его проводимость. Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси, которые бывают донорные и акцепторные Примеси Акцепторные Донорные Полупроводники p-типа Полупроводники p-типа Полупроводники n-типа Полупроводники n-типа

Дырочные полупроводники (р-типа) In + Si Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.индия

Электронные полупроводники (n-типа) As Si Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Донорные примеси - это примеси, отдающие лишний валентный электрон Полупроводники с донорными примесями обладают электронной проводимостью и называются полупроводниками n–типа. Акцепторные примеси – это примеси, у которых не достает электронов для образования полной ковалентной связи с соседними атомами. Полупроводники с акцепторными примесями обладают дырочной проводимостью и называются полупроводниками p-типа.

Собственная проводимость полупроводников Валентный электрон соседнего атома, притягиваясь к дырке, может перескочить в нее (рекомбинировать). При этом на его прежнем месте образуется новая «дырка», которая затем может аналогично перемещаться по кристаллу.

Собственная проводимость полупроводников Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то движение освободившихся электронов и «дырок» происходит беспорядочно и поэтому не создаёт электрического тока. Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. При этом движение электронов создаёт электронную проводимость, а движение дырок – дырочную проводимость.

Диод Полупроводниковый диод полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода. Впервые диод изобрел Джон Флемминг в 1904 году.

Типы и применение диодов Диоды применяются в: преобразовании переменного тока в постоянный детектировании электрических сигналов защите разных устройств от неправильной полярности включения коммутации высокочастотных сигналов стабилизации тока и напряжения передачи и приеме сигналов Транзистор Электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор.

Тема: Полупроводники.

Цель и задачи урока:

· Образовательная: сформировать в сознании учащихся первоначальные понятия об электрических свойствах полупроводников.

· Воспитательная: продолжить воспитание культуры умственного труда, развитие качеств личности - настойчивость, целеустремленность, творческую активность, самостоятельность.

· Развивающая: расширить научное мировоззрение учащихся на каждодневно наблюдаемые ими явления.

Оборудование и наглядные пособия:

Источник питания, полупроводниковые диоды, электролампочки, провода соединительные, демонстрационный стенд, электроизмерительный прибор - тестер, информационные плакаты.

Ход урока:

1. Организационный момент: (Задача: создание благоприятного психологического настроя и активация внимания).

2. Подготовка к повторению и обобщению пройденного материала:

Условно-графические обозначения радиоэлементов.

Что такое электрический ток?

Сила тока, единицы измерения.

Класс разбивается на команды и проводится конкурс - кто больше нарисует условно-графических обозначений радиоэлементов и объяснит их назначение.

Сообщение темы и цели занятия.

Полупроводники. Мы должны сформировать первоначальные понятия об электрических свойствах полупроводников.

Объяснение перспективы.

Полупроводники в виде различных электронных приборов присутствуют во всех сторонах нашей жизни. Кто может назвать конкретные применения полупроводников?

(Возможные ответы: светодиодные светофоры, лазерная указка, компьютеры, телевизоры, фотоаппараты, телекамеры, домофоны, стиральные машины, и пр.)

Можно сказать, что изучение и использование полупроводников оказывает существенное влияние на содержание и качество нашей жизни. Рассмотрим по порядку, что собой представляют полупроводники, какими свойствами обладают, и какие полупроводниковые приборы на их основе созданы, какие занимательные опыты можно провести с ними.

3. Основной этап.

Новый материал

Все вещества, встречающиеся в природе, по своим электропроводным свойствам делятся на три группы:

Ш Проводники,

Ш изоляторы (диэлектрики),

Ш полупроводники

фронтальный опрос:

Вопрос: "Почему металлы хорошо проводят электрический ток, а диэлектрики, практически, не проводят?"

Ответ: "в проводниках имеется большое количество свободных электронов, а в диэлектриках их нет.

Вопрос: "Разве в диэлектриках нет электронов?"

Ответ: "Электронов там не меньше чем в металлах, но они связаны с атомами и не могут двигаться по объему образца."

Правильно.

Вопрос электропроводности материала - это вопрос о наличии в нем свободных, т.е. способных передвигаться электрических зарядов. По этому показателю полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

К полупроводникам относится элементы 4 группы таблицы Менделеева, а также некоторые химические соединения. Особенно удобным для использования материалом является кремний (Si). Валентные электроны полупроводника подобно диэлектрику связаны со своими атомами, но эта связь не столь сильна, как в диэлектриках. При комнатной температуре энергии тепловых колебаний достаточно для того, чтобы некоторые из валентных электронов оторвались от своих атомов и стали свободными внутри полупроводникового образца. В результате полупроводниковый образец приобретает т.н. электронную электропроводность.

Уход части валентных электронов от своих атомов порождает второй механизм электропроводности полупроводников, который называется дырочной электропроводностью. Дело в том, что на вакантное место освободившегося электрона может перейти валентный электрон соседнего атома. В результате вакансия, которую назвали дырка, может передвигаться по объему образца и переносить электрический заряд. Фактически движение и эстафетный перенос заряда осуществляют валентные электроны, но введение воображаемой частицы с элементарным положительным зарядом - дырки оказалось очень удобным и прочно вошло в физику полупроводников.

Свободные электроны, покинувшие свои атомы, создают n- проводимость (n - первая буква латинского слова negativus - отрицательный). Дырки создают в полупроводнике р - проводимость (р - первая буква латинского слова positivus- положительный).-дается под запись.

В чистом полупроводнике число свободных электронов и дырок одинаково.

Добавляя примеси, можно получить полупроводник с преобладанием электронной или дырочной проводимостью.

Если в 4-х валентный кристалл кремния добавить 5-ти валентный мышьяк (сурьму) то получим n - проводник.

При добавлении 3-х валентного индия, получим р - проводник.

Ничтожного количества примеси достаточно для изменения концентрации свободных электронов или дырок на несколько порядков. Поэтому свободные носители заряда, образующиеся за счет примеси, называются основными, собственные свободные носители заряда полупроводника - неосновными.

Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход).

Если просто привести в соприкосновение два отдельных полупроводниковых образца с р и n проводимостью, то ток через это соединение на пойдет. Полупроводниковые образцы на воздухе покрываются окисной пленкой, которая является отличным диэлектриком. Контакт электронного и дырочного полупроводников создается внутри единого образца. Для этого, например полупроводник с дырочной электропроводностью на одной из поверхностей легируется донорной примесью. В результате тип электропроводности у поверхности становится электронным, а в глубине сохраняется дырочная проводимость. Следовательно, возникает p-n-переход, схематично изображенный на рисунке.

Тепловое движение дырок в р-области и свободных электронов в n-области будет приводить к их преимущественному перемещению из областей большой концентрации в области с меньшими концентрациями. Этот процесс называется диффузией (под запись). В результате дырки из р-области устремятся в n-область, а свободные электроны - из n-области в р. Т.е. возникает направленное движение заряженных частиц, которое является электрическим током. Поскольку данный ток обусловлен диффузией, он называется диффузионным. При этом перешедшие в р-область электроны оказываются захваченными атомами акцепторной примеси, а перешедшие в n-область дырки есть не что иное, как валентные электроны донорной примеси

Примыкающая к границе перехода сторона р-области заряжается отрицательно, а n-области - положительно. Все эти процессы происходят еще при создании перехода. В результате на переходе возникает т.н. контактная разность потенциалов, которая действует против диффузионного тока и уменьшает его почти до нуля.

Электронно-дырочный переход в электрической цепи.

Поставим следующий опыт, Включим электронно-дырочный переход последовательно в простую цепь, которая состоит их источника постоянной ЭДС и лампочки.

Когда плюсовая клемма источника ЭДС подключена к р-области, а минусовая через лампочку - к n, в цепи течет сильный ток, о котором свидетельствует свечение лампочки. При обратной полярности включения перехода тока в цепи нет. Этот опыт говорит о том, что переход обладает односторонней проводимостью. Определим механизм этого эффекта.

В первом случае, когда положительный полюс источника подсоединен к р-области, и минус - к n-области, напряжение внешнего источника противоположно по полярности контактному напряжению. Следовательно, суммарное напряжение на переходе уменьшается, в сравнении с равновесным состоянием. Противодействие этого напряжения диффузионному току уменьшается, и этот ток сильно увеличивается.

Во втором случае внешнее напряжение совпадает по полярности с контактным. При этом суммарное напряжение увеличивается, что приводит к ослаблению диффузионного тока. Поскольку этот ток и без того был ослаблен почти до нуля контактным напряжением, он остается практически нулевым.

Таким образом, односторонняя проводимость p-n-перехода обусловлена однонаправленностью диффузионного тока через переход. Что же касается дрейфового тока, то он всегда близок к нулю, так как определяется очень малыми концентрациями неосновных носителей в р и n областях.

Полярность внешнего напряжения на переходе, при которой он пропускает ток, и сам ток в этом случае называются прямыми, притивополжная полярность напряжения и ток - обратными.

Односторонняя проводимость p-n-перехода отражается в его условных обозначениях. Во всех случаях изображается контакт и стрелка, показывающая направление пропускания тока - от р-области к n (под запись).

Закрепление материала. Фронтальный опрос.

1. Какие материалы относятся к полупроводникам?

2. Поясните механизм собственной электропроводности полупроводников?

3. Каким образом примесь увеличивает электропроводность полупроводника.

4. Поясните механизм образования электронной примесной электропроводности.

5. Поясните механизм образования дырочной примесной электропроводности.

6. Что такое p-n-перход, как его изготавливают,

7. Объясните одностороннюю проводимость p-n-перехода.

Домашнее задание: повторить пройденный материал. Подумать над решением следующей задачи:

Люстра имеет две лампочки. Обычно для независимого их включения и выключения используется три провода, идущих от выключателей к люстре. Можно ли, используя одностороннюю электропроводность p-n-переходов, обойтись только двумя проводами, если собрать цепь, показанную на рисунке.

(Ответ: Да можно, выключатель А управляет лампочкой а, выключатель Б - лампочкой б)

Демонстрация изменения сопротивления полупроводника при освещении

Установку собирают с фоторезистором по рисунку. Замыкают ключ и замечают показание гальванометра (2--4дел.). Включают электрическую лампу, находящуюся на расстоянии 0,5м от фоторезистора, и медленно ее приближают к фоторезистору, следят за показанием гальванометра. Обращают внимание учащихся, что при освещении возрастает проводимость, а значит, уменьшается сопротивление.

Аукцион с использованием опорных слов как методический приём для актуализации опорных знаний, применение ИКТ, игровые моменты, позволяющие поменять виды деятельности на уроке, индивидуальная работа при закреплении изученного материала и последующая взаимопроверка выполненных заданий - всё это элементы, делающие обычный урок чуть интереснее.

Разработка урока по физике

Тема урока : Электрический ток в полупроводниках.

Цели урока:

Дидактическая - Познакомить учащихся с особым классом веществ – полупроводниками, ввести понятия собственной и примесной проводимости, изучить зависимость электропроводимости полупроводников от температуры и наличия примесей.

Развивающая: Способствовать расширению кругозора учащихся, развивать способность к восприятию и анализу технической и научной информации, умение пользоваться технической терминологией.

Воспитательная: Формировать ответственное отношение к приобретению знаний, навыки общения и самодисциплины.

МТО урока : медиа оборудование, презентация «Электрический ток в полупроводниках», содержащая анимационное пояснение к изучаемому материалу, карточки с ключевыми словами, раздаточный дидактический материал для самостоятельной работы.

Межпредметные связи. Химия. Темы: Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. Ковалентная связь.

Тип урока : Урок усвоения новых знаний на основе имеющихся.

Методы и приёмы : аукцион с использованием опорных слов, применение ИКТ, использование игровых моментов для создания здоровье сберегающих условий, фронтальный опрос, индивидуальная работа, взаимопроверка.

План урока .

1. Организационный момент.

2. Актуализация опорных знаний.

3. Изучение нового материала.

3.1. Полупроводники.

3.2. Собственная проводимость полупроводников;

3.3. Примесная проводимость;

3.3.1. Донорные примеси;

3.3.2. Акцепторные примеси.

4. Закрепление изученного материала.

5. Домашнее задание.

6. Подведение итогов урока. Оценка работы учащихся.

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Актуализация опорных знаний (опрос в форме аукциона с использованием карточек с ключевыми словами).

Методика проведения аукциона .

Преподаватель показывает карточку с ключевыми словами (словом), а учащиеся высказываются в соответствии с заданной темой, не вдаваясь в подробности. Каждый правильный ответ – балл в копилку учащегося (карточка временно остаётся у него для подсчёта баллов в дальнейшем).

Карточка. Электрический ток

Ответ . Электрическим током называется упорядоченное направленное движение свободных заряженных частиц.

Карточка . Постоянный электрический ток.

Ответ . Электрический ток, не меняющийся ни по величине, ни по направлению называется постоянным током.

Карточка . Направление постоянного тока.

Ответ . За направление постоянного тока принято направление движения положительно заряженных частиц, т.е. от «+» к «-».

Карточка. Условия существования тока

Ответ . Для существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и сил, которые приводили бы эти частицы в направленное движение. Например, силы электрического поля.

Карточка. Группы веществ по электропроводимости.

Ответ . По электропроводимости вещества делятся на проводники и диэлектрики.

Карточка . Проводники.

Ответ . Проводники – это вещества, хорошо проводящие ток.

Карточка . Диэлектрики

Ответ. Диэлектрики – это вещества, не проводящие ток.

3. Изучение нового материала в сопровождении презентации.

- Записываем в тетради тему урока (слайд 1).

Мотивация к дальнейшему изучению темы (слайд 2).

Знакомимся с целями данного урока (слайд 3).

Корректируем свои представления о группах веществ по электропроводимости (слайд 4).

Записываем в тетрадь

По электрической проводимости вещества можно разделить на 3 основные группы: проводники, диэлектрики, полупроводники.

Проводники, которые хорошо проводят электрический ток (металлы, растворы электролитов, плазма и др.) Наиболее используемые проводники – Au, Ag, Cu, Al, Fe .

Диэлектрики – вещества, которые практически не проводят электрический ток (пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага и др.)

3.1. Полупроводники

Записываем в тетрадь.

Полупроводники – вещества, проводящие ток только при определённых условиях.

Их электропроводимость зависит от температуры, освещённости, наличия примесей (Si , Ge , Se , In , As и др.).

По электрической проводимости они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (Si, Ge, Se, In, As и др.) Кроме 12 чистых химических элементов, полупроводниками являются сернистый свинец, сернистый кадмий, закись меди, многие оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в технике имеют германий Ge и кремний Si (слайды 4,5,6).

Ещё чуть более полувека назад полупроводники не имели заметного практического значения. В электротехнике и радиотехнике обходились исключительно проводниками и диэлектриками. Но положение резко изменилось, когда теоретически, а затем и практически была открыта возможность управлять электрической проводимостью полупроводников.

В чём же главное отличие полупроводников от проводников, и какие особенности их строения позволили широко использовать полупроводниковые приборы практически во всех электронных устройствах?

3.2. Собственная проводимость

Записываем в тетрадь.

Проводимость чистых полупроводников называют собственной проводимостью .

Ещё раз вспоминаем условия существования тока. Повторяем механизм электропроводимости металлов, акцентируя внимание на роли электрического поля (слайд 8).

Ответ учащихся

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и сил, которые приводили бы эти частицы в направленное движение. Это могут быть силы электрического поля, которое приводит электроны в упорядоченное движение.

Рассмотрим проводимость полупроводников на примере кремния Si (слайд 9).

Кремний – четырёхвалентный химический элемент. Каждый атом кремния во внешнем электронном слое имеет по четыре неспаренных электрона, которые образуют электронные пары (ковалентные связи) с четырьмя соседними атомами. Таким образом, в полупроводнике отсутствуют свободные заряженные частицы, способные создавать ток.

Но так бывает при обычных условиях, при невысоких температурах.

- Что произойдёт, если увеличить температуру вещества (слайд 10)?

При увеличении температуры энергия и скорости движения электронов увеличиваются и некоторые из них отрываются от своих атомов, становясь свободными электронами . Оставшиеся вакантные места с некомпенсированным положительным зарядом (виртуальные заряженные частицы ), называют дырками. Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток.

Чтобы понять, как же перемещаются дырки (вакантное место), проводим игру «Пустой стул» .

Методика проведения игры .

Суть игры заключается в следующем. На одном из рядов за первой партой освобождаем стул. Это исходная позиция. Учащийся, сидящий за второй партой, пересаживается на него. Таким образом, свободный стул оказывается уже не за первой, а за второй партой. Теперь учащийся, сидящий за третьей партой, занимает освободившееся место, и пустым оказывается стул за третьей партой и т.д. Таким образом, вакантное место – пустой стул (в полупроводнике это дырка) перемещается всё дальше и дальше от первой парты, двигаясь в сторону противоположную движению участников игры (в полупроводнике – в сторону, противоположную движению электронов).

Игра помогает снять напряжение и продолжить дальнейшее успешное изучение учебного материала.

Записываем в тетрадь.

Электрический ток в чистых полупроводниках создаётся свободными электронами и дырками, которых одинаковое количество.

Это собственная проводимость полупроводников.

При увеличении температуры число свободных электронов и дырок становится больше, проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается.

Записываем в тетрадь.

При увеличении температуры проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается.

Задание учащимся.

Сравните и объясните графики зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры (слайд 11).

Ответы учащихся по слайду.

При увеличении температуры сопротивление металлов возрастает. Это объясняется тем, что при увеличении температуры ионы в узлах кристаллической решётки колеблются интенсивнее, хаотичность движения свободных электронов возрастает, и суммарный заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в единицу времени уменьшается.

При увеличении температуры сопротивление полупроводников уменьшается. Это объясняется тем, что при нагревании полупроводников в них становится больше свободных носителей заряда, что приводит к увеличению силы тока, а это равносильно уменьшению сопротивления.

3.3 Примесная проводимость полупроводников (слайды 12,13,14).

Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического применения полупроводников. Поэтому для увеличения проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют), которые бывают донорные и акцепторные

Записываем в тетрадь

Проводимость полупроводников с добавлением примесей называется примесной проводимостью. Примеси бывают донорные и акцепторные

3.3.1. Донорные примеси.

Если добавить в чистый расплавленный кремний незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после твердения образуется обычная кристаллическая решетка кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния будут находиться атомы мышьяка.

Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Четырёхвалентные электроны образуют парные электронные связи с соседними атомами кремния. Пятому валентному электрону связи не хватит, при этом он будет слабо связан с атомом Мышьяка, который легко становится свободным. В результате каждый атом примеси отдаст один свободный электрон.

Электроны из атомов кремния могут становиться свободными, образуя дырку, поэтому в кристалле могут одновременно существовать и свободные электроны и дырки. Однако свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа.

Записываем в тетрадь

Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными (полупроводник n -типа).

3.3.2. Акцепторные примеси

Если в кремний добавить незначительное количество трехвалентного индия, то характер проводимости полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три валентных электрона, то он может установить ковалентную связь только с тремя соседними атомами. Для установления связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий «одолжит» электрон у соседних атомов, в результате каждый атом Индия образует одно вакантное место - дырку.

В случае акцепторной примеси основными носителями заряда во время прохождения электрического тока через полупроводник являются дырки. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа.

Записываем в тетрадь

Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными (полупроводник р-типа).

4. Закрепление изученного материала .

4.1. Фронтальный опрос (слайд 16).

Что такое полупроводники?

Какими частицами создаётся ток в полупроводниках?

Чем примесная проводимость отличается от собственной проводимости?

Для чего легируют чистые полупроводники?

Что такое полупроводник р – типа?

Что такое полупроводник n – типа?

Почему с увеличением температуры сопротивление полупроводников падает?

4.2. Самостоятельная работа по карточкам .

Установите соответствие, какие физические термины и высказывания необходимы для рассказа по темам «Электрический ток в металлах», «Электрический ток газах», «Электрический ток в растворах электролитов», «Электрический ток в полупроводниках»?

Условие: при выполнении работы исправления не допускаются .

Металлы Газы Растворы электролитов Полупроводники

1. Ионы, 2. Электроны, 3. Примеси, 4. Дырка, 5. Сопротивление возрастает с ростом температуры, 6. Рекомбинация, 7. При нагревании сопротивление уменьшается, 8. Проводник, 9. Кристаллическая решётка, 10. Электрическая дуга, 11. Самостоятельный разряд,12. Огни святого Эльма, 13. Донорная, 14. Диэлектрик, 15. Электронное облако, 16. Вакуумный диод, 17. Газоразрядная трубка, 18. Акцепторная, 19. Собственная проводимость, 20. Вакуум, 21. Сверхпроводимость, 22. Ионизация, 23. Электролитическая диссоциация, 24. Электроды, 25.Электролиз, 26. Кинескоп, 27. Гальванопластика.

После выполнения задания учащиеся обмениваются карточками и проверяют друг друга, делая исправления , оценивая работу товарища.

Затем работы проверяются ещё раз с помощью ключа и передаются преподавателю.

Ключ к заданию

Металлы – 1, 2, 5, 8, 9, 21.

Газы – 1,2,6,7,10,11,12,14,17,22.

Растворы электролитов – 1,6,7,23,24,25,27.

Полупроводники – 1,2,3,4,7,9,13,18,19.

5. Домашнее задание:

1. Подготовить сравнительную таблицу «Электрический ток в различных средах».

2. Подготовить сообщение «Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов в годы ВОВ» («Партизанский котелок») – по желанию.

6. Подведение итогов. Оценка работы учащихся.

Использованная литература

Физика: Учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений/ Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский-- 12- е изд.-М. : Просвещение, 2010. - 336 с.,: ил.-ISBN 5-01 011578-8.

Электронный учебник «Открытая физика», Физикон