ВСЕ УРОКИ ФИЗИКИ 11 класс
АКАДЕМИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ
1-й семестр
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
2. Электрический ток
УРОК 12/23
Тема. Полупроводниковые приборы
Цель урока: разъяснить учащимся принцип работы полупроводниковых приборов.
Тип урока: урок изучения нового материала.
ПЛАН УРОКА
Контроль знаний |
1. Чем обусловлена электронная проводимость полупроводника? 2. Чем обусловлена дырочная проводимость полупроводника? 3. Какие примеси называют донорными? акцепторными? 4. Какую примесь надо ввести, чтобы получить полупроводник n -типа? p -типа? |
|
Демонстрации |
Фрагменты видеофильма «Электрический ток в полупроводниках». |
|
Изучение нового материала |
1. Полупроводниковый диод. 2. Как работает транзистор? 3. Применение полупроводников. 4. Интегральные микросхемы. |
|
Закрепление изученного материала |
1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи. |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Полупроводниковый диод использует одностороннюю проводимость p -n -перехода. Такой диод имеет два контакта для присоединения к окружности.
Часто говорят, что в незначительное сопротивление диода в прямом направлении и очень большое сопротивление - в обратном. Однако это не совсем точное утверждение: по сути, для полупроводников вообще и особенно для электронно-дырочных переходов не выполняется закон Ома. Поэтому любого постоянного сопротивления в таких проводников нет.
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода имеет вид:
Полупроводниковые диоды используют для выпрямления тока переменного направления (такой ток называют переменным), а также для изготовления свето-диодов. Полупроводниковые выпрямители являются высоконадежными и имеют значительный срок использования.
Широко применяют полупроводниковые диоды в радиотехнических устройствах: радиоприемниках, видеомагнитофонах, телевизорах, компьютерах.
Чрезвычайно важными являются полупроводники в транзисторах.
Транзисторы - полупроводниковые приборы с двумя p - n -переходами.
Главным элементом транзистора является полупроводниковый кристалл, например германий, с введенными в него донорными и акцепторными примесями. Примеси распределены так, что между полупроводниками с одинаковой примесью (их называют эмиттер и коллектор) остается тонкий слой германия с примесью другого типа - этот слой называют базой.
Транзисторы бывают двух типов: p -n -p -транзисторы (рис. а) и n -p -n -транзисторы (рис. б).
В транзисторе p -n -p -типа в эмиттере и коллекторе дырок существенно больше, чем электронов, а в базе больше электронов; в транзисторе n -p -n -типа в эмиттере и коллекторе электронов больше, чем дырок, а в базе больше электронов.
Рассмотри работу транзистора p - n - p -типа. Три вывода транзистора из участков с различными типами проводимости включают в круг так, как показано на рисунке.
Если потенциал базы p - n - p -транзистора выше потенциала эмиттера, то ток не протекает через транзистор. Следовательно, транзистор может работать как электронный ключ. Если же потенциал базы ниже потенциала эмиттера, то даже незначительные изменения напряжения между эмиттером и базой приводят к значительным изменениям силы тока в цепи коллектора и, соответственно, к изменению напряжения на резисторе значительного сопротивления.
Рассмотрев работу транзистора, делаем вывод, что с помощью транзистора можно усиливать электрические сигналы.
Поэтому транзистор стал основным элементом очень многих полупроводниковых приборов.
Зависимость электропроводности полупроводников от температуры дает возможность применять их в термісторах.
Термистор - полупроводниковый терморезистор, электрическое сопротивление которого существенно изменяется при повышении температуры.
Термисторы применяют как термометры для измерения температуры.
Во многих полупроводниках связь между электронами и атомами настолько незначительный, что достаточно облучить светом кристаллы, чтобы у них возникла дополнительное количество свободных носителей зарядов.
Фоторезисторы применяются в системах сигнализации и автоматике, дистанционного управления производственными процессами, сортировка изделий и др.
Полупроводниковые диоды и транзисторы являются «кирпичиками» очень сложных устройств, называются интегральными микросхемами.
Микросхемы работают сегодня в компьютерах и телевизорах, 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 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 многим доступны приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники.
ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Первый уровень
1. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода?
2. Почему база транзистора должна быть очень малым?
3. Какую проводимость может иметь база транзистора?
Второй уровень
1. Почему ток в коллекторе примерно равен току в эмиттере?
2. В закрытом ящике размещен полупроводниковый диод и реостат. Конце приборов выведены наружу и присоединены к клеммам. Как определить, какие клеммы принадлежат диода?
ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
1. Как повлияет на работу транзистора увеличение толщины его базы?
2. Известно, что в каждом транзисторе имеется два p - n -переходы, которые включены навстречу друг другу. Можно ли заменить один транзистор двумя включенными точно так же диодами?
1. Начертите схему включения транзистора p - n - p для усиления напряжения.
2. Начертите схему включения транзистора n - p - n для усиления напряжения.
3. Почему для получения вольт-амперной характеристики полупроводникового диода используют две различные схемы соединения приборов (см. рис. а, б)?
Решения. В этом случае нельзя считать сопротивление амперметра бесконечно малым, а сопротивление вольтметра - бесконечно большим. Схему а нельзя использовать для измерения обратного тока через диод (практически весь ток пойдет через вольтметр). Схему нельзя использовать для измерения напряжения прямого тока (напряжение на амперметрі намного превышает напряжение на диоде).
ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ
Транзистор - электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий управлять с помощью слабого входного сигнала электрическим током в электрической цепи.
С помощью транзистора можно усиливать электрические сигналы.
Термистор - полупроводниковый терморезистор, электрическое сопротивление которого существенно изменяется в случае повышения температуры.
Полупроводниковое устройство, в котором используют свойство проводника изменять свое сопротивление при освещении, называют фоторезистором.
Домашнее задание
1. Подр-1: § 16 (п. 5, 6, 7, 8); подр-2: § 8.
Рів1 № 6.6; 6.9; 6.15.
Рів2 № 6.16; 6.17; 6.18.
Рів3 №6.28; 6.2; 6.30.
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
Шпак С.И. преподаватель физики КГБ ПОУ «КМТ», г. Владивостока
ПЛАН УРОКА
Урок № 39-40
Раздел: Электрический ток в различных средах.
Тема урока: Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы.
Цель:
Дать понятие электронно – дырочной проводимости полупроводников. Объяснить виды проводимости. Рассмотреть устройство и принцип действия полупроводниковых приборов и их применение.
Развивать политехнический кругозор.
Воспитывать интерес к предмету.
Оборудование:
Ноутбук;
Интерактивная доска;
ЦОР для ИД «Электрический ток в металлах» в программе Macromedia Flash ;
ЦОР для ИД «Полупроводники» в программе Macromedia Flash ;
Раздаточный материал: таблица Менделеева;
Мини-стенд «Полупроводниковые приборы».
Литература:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., «Физика 10» Москва, «Просвещение», 2010г.
Шахмаев М.Н., Шахмаев С.М. «Физика 10» Москва, «Просвещение», 2007г
Дополнительный материал «Полупроводниковые приборы: устройство, принцип действия, применение».
Ход урока:
I Организационная часть
II Повторение
Вопросы для повторения темы «Электрический ток в металлах»:
Какие основные носители зарядов в металлах. Какая проводимость у металлов.
Рассказать и продемонстрировать на ИД опыты, подтверждающие существование в металлах свободных электронов (ЦОР для ИД «Электрический ток в металлах»).
Решить задачу на расчет зависимости сопротивления металла от температуры (на местах):
Алюминиевая проволока при 0 0 С имеет сопротивление 4,25Ом. Каково ее сопротивление при 20 0 С? (Отве: 12,29 Ом)
III . Новый материал:
1. Полупроводники.
Работа в тетради:
Определение: Полупроводники – это вещества, удельное сопротивление которых зависит:
От температуры,
От наличия примесей,
От изменения освещенности.
2. Механизм проводимости полупроводников
Слайд «Полупроводники»:
В обычном состоянии в полупроводниках связи электронов прочные и, следовательно, нет свободных носителей зарядов. При повышении температуры связи электронов нарушаются, и электроны становятся свободными, следовательно, сопротивление понижается и полупроводник проводит ток. Аналогично при изменении освещенности.
3. Полупроводниковые вещества.
Слайд «Полупроводниковые элементы»
Задание учащимся : Записать в тетрадь с помощью таблицы Менделеева все полупроводниковые вещества. Проверяем на ИД.
4. Проводимость полупроводников:
Работа в тетради:
Основные носители заряда в полупроводниках – электроны и дырки . Электроны – отрицательные, дырки – положительные.
Определение: Дырка – это место, с которого ушел электрон.
Следовательно, проводимость полупроводников электронная и дырочная .
Определение: Донорная примесь – избыток электронов, легко отдает электроны. Основные носители заряда – электроны. (n – тип).
Определение: Акцепторная примесь – недостаток электронов, легко принимает электроны. Основные носители заряда - дырки (р – тип)
Закрепляем материал составлением схемы: Слайд «Виды проводимости»
5. Электрический ток через контакт p – n типа.
Слайд p - n переход: Демонстрация, объяснение преподавателя
n – p контакт – прямой переход,
p – n контакт – обратный переход.
6. Полупроводниковые приборы:
Работа с учебником:
Задание: изучить устройство и принцип действия полупроводниковых приборов. Составить описание прибора по плану.
(План описания прибора: название; устройство; принцип действия; применение).
Рассказать об устройстве и принципе действия прибора. Продемонстрировать работу прибора на ИД.
Полупроводниковый диод.
Слайд «Полупроводниковый диод»
Устройство :
В кристалл германия (n - тип) вводят акцепторную примесь индия (р – тип)
Принцип действия :
Вследствие диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия, у поверхности германия возникает область с проводимостью р – типа. Остальная часть образца германия, в которую атомы индия не проникли, по - прежнему имеет проводимость n – типа. Между двумя областями с проводимостями разных типов и возникает р – n переход.
Применение:
Для выпрямления электрического тока в радиосхемах и ЭВМ.
Преимущества:
Малый размер, экономия электроэнергии, надежность, долговечность.
Недостатки:
Чувствительность к перепадам температуры.
Термистор.
Слайд «Термистор»
В полупроводниках сопротивление зависит от температуры, следовательно, терморезисторы используют для измерения температуры по силе тока.
Преимущества:
Малые размеры, любая форма, изменение температуры в пределах от 170К до 570К.
Применение:
Дистанционное измерение температуры, Противопожарная сигнализация.
Фоторезистор.
Слайд «Фоторезистор»
Сопротивление полупроводников зависит не только от температуры. Но и от освещенности. При увеличении освещения сила тока увеличивается так как уменьшается сопротивление. Используют для регистрации слабых световых потоков.
Преимущества:
Миниатюрность, высокая чувствительность.
Применение:
Определение качества обработки поверхности и контроль за размерами изделий.
7. Домашнее задание:
Обобщить материал с помощью таблицы
Полупроводниковые приборы:
Полупроводниковый прибор
Принцип действия
Применение
Урок физики 11 класс
Тема урока:
«Полупроводники.
Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электрический ток в полупроводниках»
Цель урока
- Сформировать у учащихся понятие о природе электрического тока в полупроводниках, о способах измерения их свойств под действием температуры, освещённости, примесей.
- Способствовать расширению политехнического кругозора, мотивировать к изучению предмета, совершенствовать способность к восприятию и анализу технической, научной информации.
- Развитие коммуникативных компетенций учащихся, их умения работать в коллективе.
Материалы и оборудование:
Компьютер, проектор, электронные материалы по теме: «Полупроводники»; карточки – задания для самостоятельной работы в малых группах; набор полупроводниковых приборов НПП – 2; демонстрационный гальванометр; источник постоянного тока (4В); демонстрационный выключатель; электрическая лампа 60-100Вт на подставке; электрический паяльник; соединительные провода.
План проведения урока:
- Повторение изученного и актуализация темы урока.
- Объяснение материала темы.
- Самостоятельная работа учащихся в группах.
- Подведение итогов, задание на дом.
- Повторение изученного и актуализация темы урока (6мин).
Надо вспомнить:
- Что такое электрический ток?
- Что принимают за направление тока?
- Движением каких частиц образован электрический ток в металлических проводниках?
- Почему в диэлектриках не может возникать электрический ток?
- Как вы думаете: существует ли в природе вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение?
Да это полупроводники. Ещё чуть более полувека назад они 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, позволив значительно повысить их надёжность, многократно сократить габариты, да и создать новые, о которых приходилось только мечтать: создать сотовые телефоны, миниатюрные компьютеры и т.д.?
- Объяснение материалов темы (15мин)
- Определение полупроводников
Большой класс веществ, удельное сопротивление которых больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков и с увеличением температуры очень резко уменьшается.
К ним относятся элементы таблицы Менделеева: германий, кремний, селен, теллур, индий, мышьяк, фосфор, бор, и т.д. некоторые соединения: сернистый свиней, сернистый кадмий, закись меди и т.д.
- Строение полупроводников.
- Атомная структура кристаллической решётки кремния (проекция на экране);
- Нарушение парноэлектронных связей под воздействием внешних факторов: повышение температуры, освещённости.
Демонстрации зависимости электропроводности полупроводников:
Rт 10к ФС – К1
- Электронная проводимость чистого полупроводника (проекция)
- Дырочная проводимость (проекция)
Есть необходимость подчеркнуть, что дырки не являются реальными частицами. В обоих видах проводимости полупроводников движутся только валентные электроны. Проводимость отличается друг от друга лишь механизмом движения электронов. Электронная проводимость обусловлена направлением движения свободных электронов, а дырочная вызвана движением связанных электронов, переходящих от атома к атому, поочерёдно замещая друг друга в связках, что эквивалентно движению дырок в противоположном направлении.
Таким образом, в полупроводниках два типа носителей – электроны и дырки, концентрации которых в чистых полупроводниках одинаковы – собственная проводимость, она невелика.
- Примесная проводимость (проекция)
Существенно зависит проводимость полупроводников от наличия в их кристаллах примесей:
- донорные примеси – пятивалентные элементы, легко отдающие электроны (As, P) обеспечивают количественное преимущество электронов над дырками, создающие проводимость n – типа;
- акцепторные примеси – трёхвалентные элементы (In, B), принимающие свободные электроны, образуя дырки. Создаётся проводимость p – типа.
Демонстрация примесей и проводимости n – типа и p – типа:
n – тип p – тип
Особый интерес представляет протекание тока не отдельно в полупроводниках n – типа или p – типа, а через контакт двух полупроводников с разными типами проводимости.
- Самостоятельная работа учащихся в группах (20мин)
Предлагается на добровольной основе сформировать группы из 4 учеников (это надо сделать до начала урока, чтобы избежать хаотичных перемещений по кабинету и потере времени).
Каждой группе выдаётся задание, которое надлежит выполнить. Оно содержит вопросы, качественные задачи разного уровня, рассчитанные как на письменные, так и устные ответы.
- Подведение итогов
Заслушиваем ответы представителей групп на основные вопросы данной темы, исправляем возможные ошибки. Собираем письменные отчёты. Оценки за работу выставляем после изучения второй части темы и выполнения заданий на повторение с учётом КТУ каждого учащегося в группе.
Задание на дом: § 113; §114 учебника.
Полупроводники
Полупроводники – большой класс веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широких пределах от 10 -5 до 10 10 Ом∙м .
Полупроводники обладают промежуточными свойствами между металлами и диэлектриками. Характерным для полупроводников является не величина удельного сопротивления, а то, что она под воздействием внешних условий изменяется в широких пределах.
К полупроводникам относятся :
а) элементы III, IV, V и VI групп периодической системы элементов, например Si , Ge , As , Se , Te ;
б) сплавы некоторых металлов;
в) оксиды (окислы металлов);
г) сульфиды (сернистые соединения);
д) селениды (соединения с селеном).
Сопротивление полупроводников зависит от:
а) температуры;
б) освещённости;
в) наличия примесей.
Электрическое сопротивление полупроводников уменьшается и при освещении их светом.
1. Собственная проводимость полупроводников.
Собственная проводимость – электрическая проводимость химически чистого полупроводника.
В типичном полупроводнике (кристалле кремния Si
) атомы объединены ковалентной (атомной) связью
. При комнатной температуре средняя энергия теплового движения атомов в кристалле полупроводника составляет 0,04 эВ
. Это значительно меньше энергии, необходимой для отрыва валентного электрона, например, от атома кремния (1,1 эВ
). Однако вследствие неравномерности распределения энергии теплового движения или при внешних воздействиях некоторые атомы кремния ионизируются. Образуются свободные
электроны
и вакантные места в ковалентной связи – так называемые дырки
. Под воздействием внешнего электрического поля возникает упорядоченное движение свободных электронов и упорядоченное движение в противоположном направлении такого же количества дырок.
Электронная проводимость или проводимость n -типа (от лат. negative – отрицательный) – проводимость полупроводников, обусловленная электронами.
Дырочная проводимость или проводимость p -типа (от лат. positive – положительный) – проводимость полупроводников, обусловленная дырками.
Таким образом, собственная проводимость полупроводника обусловлена одновременно двумя типами проводимости – электронной и дырочной .
2. Примесная проводимость полупроводников.
Примесная проводимость – электрическая проводимость полупроводников, обусловленная наличием примесей (примеси – атомы посторонних элементов).
Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 10 6 раз.
В основном, атомы примеси имеют валентность, отличающуюся на единицу от валентности основных атомов.
Донорные примеси – примеси с большей валентностью, сообщающие полупроводнику электронную проводимость .
Полупроводник (кремний) + донор (мышьяк) = полупроводник n -типа.
Акцепторные примеси – примеси с меньшей валентностью, сообщающие полупроводнику дырочную проводимость .
Полупроводник (кремний) + акцептор (индий) = полупроводник р -типа.
3. Полупроводниковые диоды и триоды. Их применение.
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств p - n -перехода.
Электронно-дырочный переход
(или p
-
n
–переход
) – граница соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости.
Через границу раздела происходит диффузия электронов и дырок, которые встречаясь рекомбинируют.
На границе раздела в электронном полупроводнике остаются положительные ионы донорной примеси, а в дырочном образуются отрицательные ионы акцепторов. Образуется так называемый запирающий слой
(двойной электрический слой), напряжённость которого Е
зап
направлена от электронного полупроводника к дырочному. Через этот двойной слой могут прорваться из n
-полупроводника в p
-полупроводник только такие электроны, которые обладают для этого достаточно большими энергиями. Внешнее электрическое поле, приложенное к двум разнородным полупроводникам, в зависимости от своего направления может и ослаблять поле запирающего слоя.
Запирающий слой обладает односторонней проводимостью
: запирающий слой пропускает ток в направлении, противоположном полю запирающего слоя, и не пропускает ток в направлении, совпадающем с полем запирающего слоя.
Полупроводниковый диод – прибор с одним p - n -переходом.
Вольт-амперная характеристика – зависимость силы тока I от напряжения U , приложенного к диоду.
Полупроводниковый триод (или транзистор) – прибор с двумя p - n -переходами.
Транзисторы (как и ламповые триоды) служат для усиления слабых электрических сигналов.
Контрольные вопросы
1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Чем отличаются полупроводники от проводников и диэлектриков?
3. От чего зависит электропроводность полупроводников?
4. Какие свойства полупроводников используются в термо- и фоторезисторах?
5. Каков механизм собственной проводимости полупроводников?
6. Как образуются свободные электроны и дырки?
7. Каков механизм примесной проводимости полупроводников?
8. Какие примеси называются донорными, а какие – акцепторными?
9. Как объяснить одностороннюю проводимость p - n -перехода?
10. Какова вольт-амперная характеристика p - n -перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.
11. Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?
12. Что такое полупроводниковый триод (или транзистор)?
Loading...