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)?
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.
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.
- Какие вещества называются полупроводниками?
- Какую проводимость называют электронной?
- Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
- О каких примесях теперь вам известно?
- В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
- В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
- Какие полупроводниковые приборы вам известны?
- Где и для чего используют полупроводниковые приборы?
IV. Закрепление изученного
- Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
- Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).
ТАБЛИЦА 2
Календарно-тематический план
Календарно-тематический план – планирующее учетный документ, его целями является определение тематики, тип метода и оснащение уроков по выбранному предмету. Составление календарно-тематического плана является первым шагом создания поурочной систематизации. Исходным документом здесь является учебная программа. Календарно тематический план предусматривает межпредметные связи. При соответствии календарно-тематического плана учебной программе ориентируются на тематический план при составлении поурочного плана. Календарно-тематический план (см. таблицу 3).
Разработка урока
Изучая учебную программу, преподаватель внимательно анализирует каждую тему, что дает возможность четко определить содержание обучения, установить межпредметные связи. На основе учебной программы составляется календарно-тематический план и уже на основе календарно-тематического плана составляется поурочный план. При определении цели и содержания урока, вытекающей из учебной программы, определяется содержание записи, умений и навыков, которые учащиеся должны усвоить на данном уроке. Анализируя предыдущие уроки, и устанавливая в какой мере решены их задачи, выясняют причину недочетов, и на основе этого определяют какие изменения необходимо внести в проведения данного урока. Намечают структуру урока и время на каждую ее часть, формируют содержание и характер воспитательной работы во время урока.
План урока
Предмет: Материаловедение и электрорадиоматериалы Группа 636
Тема: Классификация и основные свойства
а) обучающая: Познакомить учащихся с понятиями и основными свойствами проводниковых материалов, рассказать о их предназначений
б) развивающая: Развить интерес к материаловедению и электрорадиоматериалам
в) воспитательная: Выработать потребность в самообразовании
Тип урока: Комбинированный
Метод изложения: поисковый
Наглядные пособия: плакат № 1, ПК
Время: 90 мин.
Ход урока
I . Вводная часть:
1. Организационный момент: проверка по рапортичке время 2 мин.
2. Проверка домашнего задания: время 15 мин.
Письменный опрос по двум вариантам + 3 уч-ся у доски (приложение1)
II . Основная часть:
1. Сообщение цели новой темы
2. Изложение нового материала время 40 мин.
а) Основные понятия
б) Классификация проводников
в) Сфера применения
3. Ответы на вопросы учащихся время 10 мин.
4. Закрепление нового материала время 20 мин.
Письменный опрос по 2 вариантам + 3 уч-ся у доски (приложение 2)
III . Заключительная часть: время 3 мин.
1. Подведение итогов
2. Задание на дом: стр. 440 ответы на вопросы, самостоятельно рассмотреть темы № 2, 3, 4, 5
3. Заключительное слово преподавателя
Преподаватель
Список литературы
1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990 г.
2. Технологические процессы машиностроительного производства. Под редакцией С. И. Богодухова, В. А Бондаренко. - Оренбург: ОГУ, 1996 г.
Приложение 1
ПИСЬМЕННЫЙ ОПРОС по 2-м вариантам
Вариант 1
1 . Что изучает предмет материаловедение.
2. Виды металлов.
3. Классификация металлов
4. Аллотропическое превращение
5 . Свойства металлов
Вариант 2
1. Определение твердости металлов
2. Механические свойства
3. Пластичность
4. Выносливость
5. Технологические свойства
Приложение 2
Письменный опрос
1 – вариант
1. Полупроводниковые материалы
2. Сверхпроводники
3. Криопроводники
4. Характеристики полупроводниковых материалов
5. Упругость материалов
2 – вариант
1. Полупроводниковые материалы.
2. Диэлектрические материалы
3. Пластичность
4. Упругость
5. Сверхпроводники
Приложение 3
Конспект урока на тему "Проводниковые материалы"
Возрастание роли техники и технического знания в жизни общества характеризуется зависимостью науки от научно-технических разработок, усиливающейся технической оснащенностью, созданием новых методов и подходов, основанных на техническом способе решения проблем в разных областях знания, в том числе и военно-техническом знании. Современное понимание технического знания и технической деятельности связывается с традиционным кругом проблем и с новыми направлениями в технике и инженерии, в частности с техникой сложных вычислительных систем, проблемами искусственного интеллекта, системотехникой и др.
Спецификация понятий технического знания обуславливается в первую очередь спецификой предмета отражения технических объектов и технологических процессов. Сравнение объектов технического знания с объектами иного знания показывает их определенную общность, распространяющуюся, в частности, на такие черты, как наличие структурности, системности, организованности и т.д. Такие общие черты отражаются общенаучными понятиями "свойство", "структура", "система", "организация" и т.п. Разумеется, общие черты объектов технического, военно-технического, естественнонаучного и общественно-научного знания отражаются такими философскими категориями "материя", "движение", "причина", "следствие" и др. Общенаучные и философские понятия употребляются и военных и в технических науках, но не выражают их специфики. Вместе с тем они помогают глубже, полнее осмыслить содержание объектов технического, военно-технического знания и отражающих их понятий технических наук.
Вообще философские и общенаучные понятия в технических науках выступают в роли мировоззренческих и методологических средств анализа и интеграции научно-технического знания.
Технический объект - это, несомненно, часть объективной реальности, но часть особая. Его возникновение и существование связаны с социальной формой движения материи, историей человека. Это определяет исторический характер технического объекта. В нем объективируются производственные функции общества, он выступает воплощением знаний людей.
Возникновение техники - это естественноисторический процесс, результат производственной деятельности человека.
Ее исходным моментом являются "органы человека". Усиление, дополнение и замещение рабочих органов - социальная необходимость, реализуемая путем использования природы и воплощения в преобразуемых природных телах трудовых функций.
Формирование техники протекает в процессе изготовления орудий, приспособления природных тел для достижения цели. И ручное рубило, и ствол дерева, выполняющий функцию моста и т.п. - все это средства усиления индивида, повышения эффективности его деятельности. Природный предмет, выполняющий техническую функцию, - это уже в потенции технический объект. В нем зафиксирована целесообразность его устройства и полезность конструктивных улучшений за счет подработки его частей.
Практическое выделение конструкции как целостности свидетельствует об актуальном существовании технического объекта. Ее важнейшими свойствами являются функциональная полезность, необычное для природы сочетание материалов, подчиненность свойств материала отношению между компонентами системы. Техническая конструкция представляет собой соединение компонентов; этот порядок обеспечивает как можно более продолжительное и эффективное функционирование орудия, исключающее его саморазрушение. Компонентом конструкции выступает деталь как исходная и неделимая для нее единица. И, наконец, с помощью технической конструкции способ общественной деятельности достигает технологичности. Технология - это та сторона общественной практики, которая представлена взаимодействием технического средства и преобразуемого объекта, определяется законами материального мира и регулируется техникой.
Техническая практика обнаруживает себя в отношении человека к технике как объекту, к ее частям и их связям.
Эксплуатация, изготовление и конструирование тесно связаны друг с другом и представляют собой своеобразное развитие технической практики. В качестве объекта эксплуатации техника выступает как некоторая материальная и функциональная целостность, сохранение и регулирование которой - непременное условие ее использования. Движущим противоречием эксплуатации является несоответствие между условиями функционирования техники и ее функциональными особенностями. Функциональные особенности предполагают постоянство условий эксплуатации, а условия эксплуатации имеют тенденцию меняться.
Преодоление этого противоречия достигается в технологии, в нахождении типовых технологических операций.
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
Loading...