Сайт продается! вопросы icq 421217325

ЦЕЛЬ:

• познакомить обучающихся с полупроводниками; 
• сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории;
• научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности р-п-перехода. 

УРОК 1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Что такое полупроводники? 

Первоначальные сведения о полупроводниках их месте в таблице Менделеева

Рассмотрим таблицу  удельных сопротивле­ний металлов, полупроводников и диэлектриков.

       Как видно из таблицы, удельные сопротивления полупроводни­ков при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале, т.е. от 10 -³ до 10⁷ Ом*м, и занимают про­межуточное положение между металлами и диэлектриками.

К полупроводникам относится большинство веществ, состав­ляющих примерно ⁴/₅ объема земной коры. Это ряд элементов, большинство минералов, различные окислы, сульфиды, теллуриды и другие химические соединения. 

Эксперимент

Демонстрация свойств полупроводников на опытах

Сопро­тивление полупроводников резко изменяется под влиянием неко­торых внешних воздействий  .

Включив термистор (из комплекта полупроводниковых прибо­ров) в цепь, содержащую аккумулятор и гальванометр (рис. 1), показывают, что стрелка гальванометра отклоняется незначитель­но, т. е. сила тока в цепи мала. Это значит, что полупроводник при комнатной температуре имеет большое сопротивление.

Нагревая   полупроводник   вначале   просто   рукой,   обращаем

внимание, что стрелка гальванометра заметно от­клоняется, а при нагревании полупроводника электрической плит­кой или пламенем спиртовки стрелка отклоняется почти на всю шкалу. Это показывает, что при нагревании удельное сопротивле­ние полупроводников значительно уменьшается. Если же охладить полупроводник, например, опустив в стакан с холодной водой, его сопротивление увеличится. При температуре, близкой к абсолютному нулю, все полупроводники становятся диэлектриками. 

У металлов наблюдается более слабая зависимость сопротивления от темпера­туры. Надо сравнить два графика: зависимость сопротивления металлов от температуры и подобный график для полупроводников. Их следует изобразить в одних и тех же координатных осях (рис. 2).

Следующий опыт, который ставят с фоторезистором  (рис. 3),

показывает зависимость сопротив­ления полупроводников от осве­щенности. Широкое применение полупроводников в автоматике объясняется именно высокой чув­ствительностью их сопротивления к внешним воздействиям.

Примеры применения свойств полупроводников

Казалось бы, что хорошего в том, что, нагревая или охлаждая
полупроводник, мы можем сделать его сопротивление таким же, как у металлов или диэлектриков. Ведь если нам нужен материал с большим или малым сопротивле­нием, то мы можем взять либо
 металл, либо диэлектрик. Но в том-то и дело, что для многих автоматических устройств важно не то, какое сопротивление имеет про­водник, а то, насколько оно чув­ствительно к внешним воздействи­ям. На изменение внешних усло­вий полупроводник реагирует зна­чительным изменением своего со­противления, а следовательно и силы тока в цепи. А это можно использовать для автоматического включения или, наоборот, выклю­чения     необходимых     устройств.

Рассмотрим,  как работает про­стейшего полупроводниковое

термореле, схема которого приведена
на рисунке 4. Это реле может быть использовано, в частности, для сигнализации о том, что в электропечи  достигнута заданная температура. Когда температура в печи, в которую помещают термистор, низка, по цепи проходит слабый ток, недостаточный для срабатывания электромагнитного реле 2. Но как только температура в печи достигнет необходимого значения, сила тока в цепи возрастет до такой величины, при которой реле срабатывает. При этом замыкается контакт 3, включающий цепь, содержа­щую сигнализатор — звонок или лампу 4.

Термисторы используют также для создания очень чувствитель­ных   термометров    (рис. 5).    Благодаря    высокому   удельному

сопротивлению размер термистора может быть очень мал (несколь­ко миллиметров или даже десятых долей его). Поэтому он быстро принимает температуру окружаю­щей среды и может быть применен для измерения температуры не­больших участков человеческого тела, листьев растений и т.д.

 Чувствительность  термосопротивлений  очень  велика   и   позволяет измерять температурные из­менения на одну миллионную долю градуса.

Закрепление

(промежуточный опрос)

Упражнения

1.          В цепь включены последовательно лампочка и термистор. Почему лампочка загорается не сразу, а через некоторое время после замыкания цепи?

2. Для уменьшения пускового тока в момент включения некоторых механизмов в цепь включают реостат, который затем постепенно выводят. Иногда вместо реостата для этой цели используют термистор. В чем заключается преимущество такой
замены?

3. На рисунке 6 приведена схема простейшего фотореле. Объясните его действие.

Структура полупроводниковых кристаллов

   Для объяснения свойств полупроводников, уста­новленных экспериментально, необходимо перейти к рассмотрению механизма их электропроводности.

Природа носителей тока в полупроводниках та же, что и в металлах, т. е. ток в них создается движением электронов. Это следует из того, что при  прохождении тока через полупроводник

никакого изменения в их составе не происходит. Но в механизме проводимости имеются различия. Их можно выяснить при рассмот­рении собственной проводимости полупроводников, например крис­таллов германия или кремния. Для объяснения механизма электрон­ной и дырочной проводимости в средней школе приходится пользо­ваться известным из курса химии понятием ковалентной (или пар-ноэлектронной) связи  кремния не в объемном, а в плоском виде (рис. 6).

Механизм собственной проводимости полупроводников (электронно-дырочная)

Как надо понимать процесс движения дырок?

Для этого рассматривают крис­таллическую решетку германия или в   той   паре   атомов,   откуда внешним     воздействием — нагре­ванием или освещением электрон был переведен в свободное состоя­ние, появляется избыточный поло­
жительный заряд, который можно  рассматривать   как   положитель­ный ион (рис. 7). Тепловое движение атомов кристалла приводит к тому, что какой-либо электрон  из ближайших соседних атомов переходит к данному иону. Тогда положительным ионом оказывается соседний  атом,  откуда  был   «захвачен»  электрон.   Такой  процесс происходит многократно,  и поэтому перемещение положительного заряда   внутри   кристалла,   которое  отражает   в  действительности движение связанных электронов от одного атома к другому, назы­вают движением дырок.

Легко видеть, что появление дырок в кристалле создает допол­нительные возможности для переноса заряда. При создании в полу­проводнике электрического поля дырки перемещаются в том на­правлении, куда двигались бы положительные заряды.

Теперь появляется возможность объяснить зависимость сопро­тивления полупроводников от температуры и освещения.

Большая чувствительность сопротивления  полупроводников к внешним воздействиям объясняется тем, что для разрыва ковалентных связей и образования свободных электронов и дырок тре­буется небольшая энергия в сравнении с диэлектриками.

При абсолютном нуле свободные электроны в полупроводнике отсутствуют, и потому при этой температуре он — изолятор. Но уже при комнатной температуре в результате теплового движения атомов парноэлектронные связи разрываются и появляются сво­бодные электроны и дырки. С повышением температуры или осве­щенности концентрация носителей зарядов резко возрастает (по экспоненциальному закону).

Итак, в создании электрического тока в полупроводниках участ­вуют не только свободные электроны, но и электроны, осуществляю­щие парноэлектронные связи между атомами.

Итак, необходимо подчеркнуть, что термин «дырочная проводи­мость» представляет собой другой способ описания механизма электропроводности, которая осуществляется движением не свобод­ных, а связанных электронов между соседними атомами.

Закрепление знаний, умений и навыков

1.Почему с повышением температуры в полупроводниках их сопро­тивление уменьшается?

2.Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до темпера­туры, близкой к абсолютному нулю?

3.Задача № 873 (Рымкевич).

 Домашнее задание:

§115, вопросы после параграфа; повторить «Периодический закон Менделеева» («Химия. 9»). 

УРОК 2

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПРИ НАЛИЧИИ ПРИМЕСЕЙ. ПОЛУПРОВОДНИКИ р- И- n ТИПА.

УРОК 3

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД. ТРАНЗИСТОР.

УРОК 4

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ. ТЕРМИСТОРОВ И ФОТОРЕЗИСТОРОВ.

Литература

1.Методика преподавания физики в средней школе. Молекулярная физика Электродинамика Под редакцией  С.Я. Шамаша М.: Просвещение 1987.

2.Физика 10 класс (поурочные планы) Составитель Г.В. Маркина  издательство Учитель 2001год.

3.Универсальные разработки по физике М.: ВАКО , 2006г,400с.