Автор:
Перов Евгений Юрьевич
Место
работы: МБОУ СОШ №19 Усть-Лабинский район Краснодарский край
Должность:
учитель физики
10
класс.
Тема урока: Полупроводниковые
приборы и принципы
их
работы.
Цели урока
Обучения:
·
Обеспечить
усвоение учащимися признаков полупроводников и их свойств;
·
Добиться
усвоения учащимися понятий собственная и примесная проводимость полупроводника.
Развития:
·
Развитие
синтезирующего мышления – развитие умения устанавливать единые, общие
признаки и свойства целого, составлять план изученного материала.
·
Формирование
умений выделять главное, составлять план, тезисы, вести конспекты.
Воспитания:
·
Воспитание
мотивов учения, положительного отношения к знаниям;
·
Воспитание
дисциплинированности;
Тип урока –
изучение нового материала
Вид урока – беседа
Методы
обучения
– словесные.
Оборудование:
1. Мультимедийная
система
2. Презентация
«Свойства полупроводников и их применение»
3. Образцы
современных диодов.
Ход урока
1. Организация
начла урока.
Объявление
темы урока. Постановка целей.
2. Изучение
нового материала.
Учитель.
В
периодической таблице Менделеева металлы (проводники) от металлов (изоляторов)
отделяет ряд переходных элементов – полупроводников, которые в кристаллическом
состоянии характеризуются следующими признаками:
Вопрос:
1.
Назовите основные отличия друг от друга проводников и
диэлектриков.
2.
Что является основными носителями заряда в
проводниках?
1.
При
температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводники ведут себя как изоляторы
(не проводят электрический ток).
2.
С
повышением температуры удельное сопротивление ρ полупроводников уменьшается,
что отличает их от металлов, у которых наблюдается обратная зависимость.
3.
Значения
удельного сопротивления при комнатной температуре (Т = 300К) для типичных
полупроводников лежат в пределах (0,1 – 1000)Ом-м и занимает промежуточное
значение между удельными сопротивлениями металлов и диэлектриков.
4.
Электрический
ток в полупроводниках возникает за счет упорядоченного перемещения зарядов обоих
знаков – положительных и отрицательных.
Перечисленными
выше свойствами обладают в основном элементы 3 – 6 групп периодической таблицы,
такие как бор, кремний, германий, мышьяк, а также многие химические соединения,
например арсенид галлия, сурьмистый индий и т.д.
Уменьшение
удельного сопротивления полупроводников с ростом температуры объясняется
увеличением в них числа свободных электронов. Электроны проводимости возникают
при нагревании в результате разрыва ковалентных химических связей, которые
устанавливает в кристалле данный атом полупроводника с окружающими его атомами
за счет своих валентных электронов. Необходимая для этого энергия составляет W ≈ 1эВ
(для диэлектрика существенно больше).
При
комнатной температуре в химически чистом полупроводнике высвобождается лишь
малая доля валентных электронов за счет случайного приобретения ими необходимой
энергии; например, в германии при концентрации валентных электронов ~10 28м-3
концентрация свободных электронов составляет ~10 19м-3, т.е
разрывается одна из 10- 9 связей. С понижением температуры кристалла
вероятность случайного появления свободных электронов стремится к нулю:
удельное сопротивление неограниченно возрастает.
Вопрос:
1.
Что
будет происходить с носителями зарядов при наложении внешнего электрического
поля?
Собственной
называется проводимость химически чистого полупроводника, обладающей
совершенной кристаллической решеткой.
Она
обеспечивает направленным перемещением под действием приложенного
электрического поля свободных электронов и эффективных положительных зарядов,
называемых дырками. Такой тип проводимости называется электронно-дырочным или n-p-проводимостью.
Объяснить
механизм собственной проводимости полупроводников можно на основании следующих
представлений. При тепловом разрушении ковалентных связей, образованных
валентными электронами атома полупроводника находящегося в узле кристаллической
решетки, одновременно возникают свободный электрон и избыточный положительный
заряд – дырка, являющаяся ионом того атома полупроводника, который покинул
электрон. Восстановление данной ковалентной связи может происходить как за счет
свободных электронов, так и за счет электронов, переместившихся из соседних
связей. В первом случае происходит исчезновение (рекомбинация) равных по
величине положительных и отрицательных зарядов. Во втором случае количество
зарядов не уменьшается, а наблюдается перемещение дырки на место захваченного
электрона.
Реальные
кристаллические решетки полупроводников имеют дефекты, присутствие которых
может повышать их электропроводность на несколько порядков. При практическом использовании
полупроводников дефекты создаются целенаправленно введением в кристалл атомов
примеси, отличающихся по валентности (обычно на единицу) от атомов
полупроводника. Если валентность примеси больше, то она называется донорной,
если меньше – акцепторной. Проводимость полупроводника, содержащего примеси,
называется примесной.
Освободившиеся
электроны могут создавать проводимость n-типа.
При
этом концентрация свободных электронов значительно больше концентрации дырок.
Атом
акцепторной трехвалентной примеси в полупроводнике, например, бора не может
установить парные связи со всеми соседними атомами матрицы, поскольку имеет
меньше валентных электронов. Незаполненная связь может быть восстановлена за
счет перехода электрона от соседнего атома решетки. В результате образуется
положительный ион полупроводника, который называется дырка. Дырка может
перемещаться по кристаллу, как свободный заряд, создавая проводимость p-типа. Уже
при комнатной температуре концентрация дырок в полупроводнике практически равна
концентрации атомов примеси и концентрация дырок больше концентрации свободных
электронов.
Полупроводниковый
диод. Транзистор.
В
основе работы многих полупроводниковых приборов, в частности, диода и
биполярного транзистора, лежат свойства p-n перехода.
P-n переход
– это зона контакта полупроводников с различным типом примесной проводимости.
P-n получают
либо при выращивании кристаллов, либо при их соответствующей обработке (но не
механическим соединением).
При
образовании p-n перехода
наблюдается интенсивная диффузия электронов из n-области в p-область и
встречная диффузия дырок из p-области в n-область. В
результате p-область в
зоне контакта заряжается отрицательно, n-область – положительно, и
образуется двойной электрический слой шириной L, электрическое
поле которого препятствует диффузии основных носителей тока через зону
контакта. Концентрация основных носителей тока в зоне контакта вследствие
диффузии и рекомбинации уменьшается, поэтому важную роль в формировании
двойного слоя имеют некомпенсированные заряды, заряды ионизированных атомов
примесей.
Для
основных носителей электрическое поле перехода не является препятствием, и они,
случайно дрейфуя, через p-n переход
создают ток, противоположный диффузионному. Динамическое равновесие наступает
при установлении такой напряженности поля двойного слоя, когда суммарный ток
всех зарядов через p-n переход
равен нулю. Соответствующая разность потенциалов в области перехода называется
потенциальным барьером.
Характеристики
p-n перехода
зависят от внешнего электрического поля. Если внешний источник подключен
положительным полюсом к p-области,
а отрицательным к n-области,
то основные носители будут двигаться под действием поля навстречу друг другу к
зоне контакта, частично потенцируя заряд двойного слоя. Сопротивление слоя, его
ширина и высота потенциального барьера уменьшается, поэтому происходит быстрое нарастание
тока основных носителей с увеличением внешнего напряжения.
Если
положительный полюс источника подключить к n-области, а отрицательный к p-области,
то основные носители будут двигаться под действием электрического поля от зоны
контакта, увеличивая не скомпенсированный заряд двойного слоя. Это приводит к
увеличению ширины двойного слоя, росту сопротивления перехода и высоту потенциального
барьера.
Ток
основных носителей резко уменьшается, через p-n переход будет
протекать малый ток неосновных носителей, быстро достигающий насыщения при
увеличении внешнего напряжения. Такой тип включения называется обратным.
Ярко
выраженная односторонняя проводимость p-n перехода
используется в полупроводниковом диоде – устройстве, содержащем один p-n переход и
применяемом для выпрямления переменного тока.
Характеристика
полупроводникового диода в основном определяются свойствами входящего в него
идеализированного p-n перехода,
однако, всегда имеются некоторые отклонения обусловленные особенностями
конструкции.
Полупроводниковые
диоды обладают рядом преимуществ перед ламповыми диодами: экономичность,
миниатюрность, высокая надежность и большой срок службы. Недостатком
полупроводниковых диодов является чувствительность к колебаниям температуры и
радиационному облучению.
Устройство,
состоящее из двух p-n
переходов, приложенных навстречу друг другу, называют биполярным транзистором. Возможно
чередование областей в последовательности p-n-p или
n-p-n.
Основная
часть транзистора, именуемая базой, представляет собой легированный примесью
кристалл полупроводника малой толщины, к которому с двух сторон примыкают
области с другим типом проводимости – эмиттер и коллектор. В приближенных
теориях транзистор рассматривают как совокупность двух диодов, включенных
навстречу друг другу.
На
практике транзисторы используются как усилители по силе тока, напряженности и
мощности.
3.Итог
урока.
Учитель: А теперь, давайте подведем итог нашего урока.
1. Выяснили основные свойства полупроводников.
2. Узнали о механизме собственной и примесной
проводимости полупроводника.
3. Устройство п\п диода.
4. Выяснили вид ВАХ п\п диода.
5. Выпрямление переменного тока с помощью п\п
диода.
4.Задание на дом: конспект урока, периодическая система элементов(повторить).
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.