Тема урока: "Полупроводниковые приборы. Диоды"
Цель и задачи занятия:
Образовательные:
формирование первоначального понятия о назначении, действии и основном свойстве полупроводниковых диодов.
Воспитательные:
сформировать культуру умственного труда, развитие качеств личности - настойчивость, целеустремленность, творческую активность, самостоятельность.
Развивающие:
обучение применению свойства односторонней проводимости.
Материально техническое оснащение урока:
рабочие тетради, компьютер преподавателя, интерактивная доска, прзентация на тему
Ход занятия:
1. Организационный момент:
(Задача: создание благоприятного психологического настроя и активация внимания).
2. Подготовка к повторению и обобщению пройденного материала
Что такое электрический ток.
Сила тока, единицы измерения.
p – n переход.
Полупроводники.
Сообщение темы и цели занятия.
Полупроводники. Диоды.
Объяснение перспективы.
Чтобы изучить современную электронику, надо, прежде всего, знать принципы устройства и физические основы работы полупроводниковых приборов, их характеристики и параметры, а также важнейшие свойства, определяющие возможность их применения в электронной аппаратуре.
Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры и массу аппаратуры. Минимальная мощность для питания электронной лампы составляет 0,1 Вт, а для транзистора она может быть 1мкВт, т.е. в 100000 раз меньше.
3. Основной этап.
Новый материал
Все вещества, встречающиеся в природе, по своим электропроводным свойствам делятся на три группы:
Проводники,
изоляторы (диэлектрики),
полупроводники
К полупроводникам относится гораздо больше веществ, чем к проводникам и изоляторам. В изготовлении радиоприборов наибольшее распространение получили 4-х валентные германий Ge и кремний Si.
Электрический ток полупроводников обуславливается движением свободных электронов и так называемых "дырок".
Свободные электроны, покинувшие свои атомы, создают n- проводимость (n - первая буква латинского слова negativus - отрицательный). Дырки создают в полупроводнике р - проводимость (р - первая буква латинского слова positivus- положительный).
В чистом проводнике число свободных электронов и дырок одинаково.
Добавляя примеси, можно получить полупроводник с преобладанием электронной или дырочной проводимостью.
Важнейшее свойство р- и n- полупроводников - односторонняяя проводимость в месте спайки. Эта спайка называется p-n переходом.
В 4-х валентный кристалл германия (кремния) добавить 5-ти валентный мышьяк (сурьму) то получим n - проводник.
При добавлении 3-х валентного индия, получим р - проводник.
Когда "плюс" источника соединен с р- областью, говорят что переход включен в прямом направлении, а когда минус источника тока соединен с р- областью, переход включен в обратном направлении.
Одностороння проводимость р и n перехода является основой действия полупроводниковых диодов, транзисторов и др.
Имея представление о полупроводнике, теперь приступим к изучению диода.
Приставка "ди" - означает два, указывающая на две примыкающие зоны разной проводимости.
Вентиль велосипедной шины (нипель). Воздух через него может проходить лишь в одном направлении - внутрь камеры. Но существует и электрический вентиль. Это диод - полупроводниковая деталь с двумя проволочными выводами с обоих концов.
По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными или точечными.
Плоскостные диоды имеют большую площадь электронно- дырочного перехода и применяются в цепях, в которых протекают большие токи.
Точечные диоды отличаются малой площадью электронно-дырочного перехода и применяются в цепях с малыми токами.
Условно-графическое обозначение диода. Треугольник соответствует р- области и называется анодом, а прямолинейный отрезок, называется катодом, представляет n- область.
В зависимости от назначения диода его УГО может иметь дополнительные символы.
Основные параметры, по которым характеризуются диоды.
Прямой ток диода.
Обратный ток диода.
Закрепление материала.
Изменение полярности подключения источника питания в цепи, содержащей полупроводниковый диод.
Соединяем последовательно батарею 3336Л и лампочку накаливания МН3,5 – 0.28 (на напряжение 3.5В и ток накала 0.28А) и подключаем эту цепь к сплавному диоду из серии Д7 или Д226 так, чтобы на анод диода непосредственно или через лампочку подавалось положительное, а на катод – отрицательное напряжение батареи (рис 3, рис.4). Лампочка должна гореть полным накалом. Затем изменяем полярность подключения цепи “батарея – лампочка” на обратную (рис. 3, рис.4). Если диод исправный – лампочка не горит. В этом опыте лампочка накаливания выполняет двойную функцию: служит индикатором тока в цепи и ограничивает ток в этой цепи до 0.28А, тем самым защищая диод от перегрузки. Последовательно с батареей и лампочкой накаливания можно включить еще миллиамперметр на ток 300…500мА, который бы фиксировал прямой и обратный ток через диод.
4.Контрольный момент:
Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника постоянного тока, микродвигателя, 2-х диодов, так, чтобы с помощью выключателей изменять направление вращение ротора микродвигателя.
Определите полюса батареи для карманного фонаря с помощью полупроводникового диода.
Самостоятельно изучите проводимость диода на демонстрационном стенде. Изучение односторонней проводимости диода.
5.Итоговый момент:
оценка успешности в достижении задач занятия (как работали, что узнали или усвоили)
6. Рефлективный момент:
определение результативности и полезности занятия через самооценку воспитанников.
7. Информационный момент:
определение перспектив следующего занятия .
8. Домашнее задание
Для закрепления пройденного материала, подумайте над следующими задачами и приведите их решение:
Как с использованием полупроводникового диода защитить радиоаппаратуру от переполюсовки?
Имеется электрическая цепь, в которую входят четыре последовательно соединенных элемента – две лампочки а и б и два выключателя А и Б. При этом каждый выключатель зажигает только одну, только “свою” лампочку. Для того, чтобы зажечь обе лампочки, нужно одновременно замкнуть оба выключателя.
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.
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.
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)?
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.
