План - конспект урока по технологии на тему: «Полупроводниковый диод. Конспект лекции " полупроводники" План урока на тему полупроводниковые материалы

Разделы: Физика , Конкурс «Презентация к уроку»

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Урок в 10-м классе.

Тема: р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».

Цели:

• образовательные : сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
• развивающие : развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, по­знавательную активность;
• воспитательные : продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n - типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Изучение нового материала.

Слайд 1.

Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Слайд 3.

Механизм проводимости у полупроводников

Слайд 4.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5. электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

Слайд 6. 1) электронная (проводимость "n " – типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.

Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.

Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

Слайд 7.

2) дырочная (проводимость " p" – типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – "дырка".

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.

Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.

Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.

При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.

Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Слайд 9. Это проводники " n " – типа , т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.

Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например – мышьяк.

Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают "дырки" , забирая в себя электроны.

Это полупроводники " p "- типа , т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.

Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью . Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р-n-переходе.

Слайд 13-16.

Электрические свойства "p-n" перехода

"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.

Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода :

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.

– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».
– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.
– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?
– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.
– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!

Слайд 17–21.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Слайд 22–25.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.

Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа - транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).

Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема - эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема - коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором - коллекторный, а между базой и эмиттером - эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n - от базы.

Слайд 26–29.

III. Первичное закрепление.

1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Какую проводимость называют электронной?
3. Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
4. О каких примесях теперь вам известно?
5. В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
6. В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
7. Какие полупроводниковые приборы вам известны?
8. Где и для чего используют полупроводниковые приборы?

IV. Закрепление изученного

1. Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
2. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).

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.

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

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.

Объясняет особенности.

Полупроводники — вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению. Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, а так же всевозможные сплавы и химические соединения н-р окись меди). Почти все вещества окружающего нас мира являются полупроводниками. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий по приблизительным подсчетам почти 30 % земной коры. Для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только кремний и германий. (найдите их в таблице Д. И. Менделеева — Приложение 2). Какую валентность они имеют (в таблице Д. И. Менделеева найдите номер столбца в котором они находятся)?

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока. Запишите в тетрадь определение что такое полупроводник.

Рассмотрим следующие три опыта (демонстрация или плакаты)

Первый опыт: Нагревание полупроводника

Посмотрите, что происходит при увеличении температуры? Сопротивление будет уменьшаться при увеличении температуры?

Какой вывод можно сделать?

Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается. На основе этого были созданы термоэлектрические приборы.

Термисторы. В полупроводниках электрическое сопротивление очень сильно зависит от температуры. Это свойство используют для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником. Такие приборы называют термисторами или терморезисторами.

Термисторы — одни из самых простых полупроводниковых приборов. Выпускают термисторы в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок размером от нескольких микрометров до нескольких сантиметров.

Диапазон измеряемых температур большинства термисторов лежит в интервале от 170 до 570 К. Но существуют термисторы для измерения как очень высоких (примерно 1300 К), так и очень низких (примерно 4 — 80 К) температур. Термисторы применяются для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации и т. д.

Второй опыт: Освещение светом полупроводника

Посмотрите, что происходит при увеличении освещенности?

Какой вывод можно сделать?

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи.

Фоторезисторы. Электрическая проводимость полупроводников овышается не только при нагревании, но и при освещении.

Можно заметить, что при освещении полупроводника сила тока в цепи заметно возрастает. Это указывает на увеличение проводимости (уменьшение сопротивления) полупроводников под действием света. Данный эффект не связан с нагреванием, так как может наблюдаться и при неизменной температуре.

Электрическая проводимость возрастает вследствие разрыва связей и образования свободных электронов и дырок за счет энергии света, падающего на полупроводник. Это явление называют фотоэлектрическим эффектом.

Приборы, в которых используют фотоэлектрический эффект в полупроводниках, называют фоторезисторами или фотосопротивлениями. Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторов позволяют использовать их в самых различных областях науки и техники для регистрации и измерения слабых световых потоков. С помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т. д.

Третий опыт: Добавление примеси в полупроводник

Посмотрите, что происходит?

Какой вывод можно сделать?

При введении в полупроводник примесей определенных веществ их электропроводность резко увеличивается.

Запишем в тетрадь свойства полупроводников

Электропроводность повышается при повышении температуры (терморезистор)

Электропроводность повышается при освещении (фоторезистор, солнечные батареи)

Электропроводность повышается при введении в полупроводник некоторых примесей. (полупроволниковый диод)

Свойства полупроводников зависят от их внутреннего строения. Рассмотрим кремний — четырехвадентный элемент (показать трехмерную модель) т. е. во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем.

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону. Атомы расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Зарисуем получившуюся картинку в тетрадь.(рисунок на доске) Студенты выполняют такой же рисунок в тетради. Добавим больше соседних атомов.

При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны становятся свободными и перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют, электронной проводимостью. При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном — дырка.

При низких температурах связи не разрываются, поэтому кремний при низких температурах не проводит электрический ток.

Проводимость чистых полупроводников, без примесей (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парноэлектронных связей (дырочная проводимость). Проводимость полупроводников чрезвычайно сильно зависит от примесей. Именно эта зависимость сделала полупроводники тем, чем они стали в современной технике. Различают донорные и акцепторные примеси. При наличии донорной примеси в полупроводнике, если в кремний добавить мышьяк, наблюдается избыток электронов, полупроводник называется n -типа, при наличии акцепторных примесей, если в кремний добавить индий, наблюдается избыток дырок, полупроводник называется р-типа.