Електропровідність напівпровідників. Власна і домішкова провідність напівпровідників. Напівпровідниковий діод. Застосування напівпровідникових приладів

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Електропровідність напівпровідників. Власна і домішкова провідність напівпровідників. Напівпровідниковий діод. Застосування напівпровідникових приладів"



Зміст

• Вступ
• 1. Зміст і структура теми
• 2. Особливості вивчення теми
• 3. Задачі при вивченні теми
• 4. Інтерактивні методи при вивченні теми
• 5. Методичні рекомендації щодо введення основних понять теми
• 6. Плани-конспекти уроків
• Висновки
• Список використаної літератури

навчальний напівпровідник електропровідність урок



Вступ

При вивченні теми "Напівпровідники" в шкільному курсі фізики вчитель перед собою ставить певні освітні, пізнавальні та виховні завдання.

Якщо говорити про пізнавальні завдання, то вони визначаються, перш за все, тим, що при вивченні даної теми вводять поняття напівпровідник, р-п- перехід, прямий та зворотній струм і т.д., що є основою для подальшого вивчення предметів технічного спрямування. У цьому випадку вивчення теми "Напівпровідники" є, так би мовити, поштовхом для подальшого вибору учнями професійного спрямування, що є досить важливим аспектом, оскільки тема вивчається вії класі.

Виховні завдання реалізуються в ході формування поглядів на природу електричного струму, формування політехнічних знань та умінь. В ході вивчення теми присутнє також трудове виховання учнів, оскільки їх знайомлять із одним із аспектів сучасної техніки - радіо- та комп'ютерна техніка, у якій дуже часто використовуються напівпровідникові прилади. При проведенні лабораторної роботи діти здобувають деякі практичні навички роботи із напівпровідниковими приладами.

Розв'язування задач з даної теми спрямоване на розвиток творчого, логічного та політехнічного мислення.

Метою вивчення теми є ознайомлення учнів із напівпровідниками та природою струму в чистих та при наявності домішок напівпровідниках. Ознайомити старшокласників із використанням напівпровідників у техніці.

У результаті вивчення теми учні повинні:

• Називати носії струму в напівпровідниках; допустимі норми безпечної життєдіяльності людини при роботі з електричними пристроями.

• Наводити приклади напівпровідникових приладів та їх застосувань у побуті й техніці.

• Розрізняти види електропровідності напівпровідників.

• Описувати механізм електропровідності напівпровідників р- і п- типу, /"-"-переходу, порівнювати вольт-амперні характеристики резистора І напівпровідникового діода.

• Дотримуватися правил роботи із електричними приладами.

• Робити висновок про історичний характер фізичного пізнання.

• Мати уявлення про основні проблеми й напрямки розвитку напівпровідникових приладів та їх використання у новітніх технологіях.



1. Зміст і структура теми

Згідно з навчальною програмою для загальноосвітніх навчальних закладів для 7-12 класів вивчення теми "Напівпровідники" відбувається в ході вивчення розділу Електричне поле і струм. На вивчення даного розділу відводиться десять годин. На вивчення теми "Напівпровідники" можна виділити три години. При вивченні теми, згідно з навчальною програмою, пропонується розглянути наступні питання: Електропровідність напівпровідників. Власна і домішкова провідності напівпровідників. Напівпровідниковий діод. Застосування напівпровідникових приладів.

Структура теми:

Тема №1 Електропровідність напівпровідників. Власна та домішкова провідності напівпровідників.

Тема №2 Властивості переходу. Напівпровідниковий діод.

Тема №3 Застосування напівпровідникових приладів.

Лабораторна робота: Дослідження електричного кола з напівпровідниковим діодом.

Основний зміст запропонованих питань.

Електропровідність напівпровідників. За характером електричної провідності між металами та діелектриками знаходиться велика кількість матеріалів, які називають напівпровідниками.

Напівпровідники - речовини, питомий опір яких змінюється в широких межах та дуже швидко спадає при підвищенні температури. Хімічні елементи, які володіють властивостями напівпровідників, утворюють в періодичній системі Менделєєва своєрідну групу. Типовими, широко використовуваними напівпровідниками є Германій (Ое), Кремній (Бі) та Телур (Те). Ці хімічні елементи відносяться до четвертої та шостої груп періодичної системи, і на зовнішній електронній оболонці атомів цих елементів міститься чотири валентних електрона.

Кристали Германію та інших напівпровідників мають атомну кристалічну решітку. Плоска схема структури кристалу германію зображена на рис.1.

Чотири валентних електрона кожного атома Германію зв'язані з такими ж електронами сусідніх атомів ковалентними зв'язками. В чистому кристалі Германію та в інших кристалах напівпровідникових елементів при низьких температурах вільних електронів немає, а такі кристали за даних умов є хорошими діелектриками.

Електропровідність чистого напівпровідника є можливою в тих випадках, коли ковалентні зв'язки в кристалах розриваються. Наприклад. Нагрівання до порівняно невисоких температур призводить до розриву ковалентних зв'язків, появі вільних електронів та виникнення власної електронної провідності (провідності "-типу) чистого напівпровідника.

Питомий опір напівпровідників змінюється в дуже великих межах, проте він менший ніж у діелектриків і більший ніж у провідників (рис.2). Крім нагрівання розрив ковалентних зв'язків та виникнення власної провідності напівпровідників може бути викликані освітленням (фотопровідність напівпровідників), а також дією сильних електричних полів.

Коли кристалічно чистий напівпровідник отримує енергію, яка необхідна для розриву ковалентних зв'язків, і електрон виходить із свого місця, електронейтральність кристала у цьому місці порушується. У тому місці, звідки пішов електрон, виникає у надлишку позитивний заряд - утворюється позитивна дірка. На звільнене від електрона місце - дірку - може переміститися сусідній електрон, а це еквівалентно до того, що перемістилася позитивна дірка; вона з'явилася в новому місці, звідки перемістився електрон.



У зовнішньому електричному полі електрони переміщуються в напрямку, протилежному до напрямку напруженості електричного поля. Позитивні дірки переміщуються в напрямку напруженості електричного поля, тобто в тому напрямку, в якому рухався б позитивний заряд під дією електричного поля.

Процес переміщення електронів та дірок у зовнішньому електричному полі відбувається по всьому кристалі напівпровідника. Електропровідність чистого напівпровідника, що зумовлена впорядкованим переміщенням дірок, називають власною дірковою провідністю (провідністю /-типу).

Загальна питома провідність напівпровідників складається із провідностей п- та /-типів.

Власна і домішкова провідності напівпровідників. На електричні властивості напівпровідників значний вплив можуть створювати домішки.

Домішкова провідність напівпровідників - електропровідність напівпровідників, зумовлена внесенням в їх кристалічні решітки домішок.

Наприклад, якщо в кристалічній решітці Германію, який має чотири валентних електрони, один із атомів замінити атомом п'ятивалентного елемента, наприклад миш 'яку (Аз) (рис.З), то його чотири валентних електрони будуть брати участь у ковалентних зв'язках із сусідніми атомами Германію, а п'ятий електрон буде "зайвим". Він буде значно слабше зв'язаний із своїм атомом і легко може його залишити і стати вільним електроном провідності.

Атоми, що віддають "зайві" електрони в кристали напівпровідників називають донорами. Напівпровідники такого типу називають електронними або напівпровідниками п-типу.

Якщо в кристалічній решітці Германію один із атомів замінити атомом трьохвалентного елемента, наприклад Індію (Іп) (рис. 4), то для повного комплекту ковалентних зв'язків, необхідних для решітки Германію, не буде вистачати одного електрона. Утворюється вакансія, яка може бути заповнена за рахунок захоплення електрона сусіднього атома Германію. Тоді на місці захопленого електрона в атомі Германію утворюється дірка. В свою чергу ця дірка може бути заповнена електроном із наступного сусіднього атома Германію. В електричному полі дірка почне рухатися в напрямку вектора напруженості, аналогічно до переміщення позитивно зарядженої часточки.

Атоми, що утворюють у ковалентних зв'язках вакансії, називають акцепторами.

Напівпровідники такого типу називають дірковими або напівпровідниками р-типу.

Властивості р-п-переходу. Концентрація електронів або дірок напівпровідника повинна сильно збільшуватися при збільшенні температури. При різниці температур на кінцях напівпровідникового зразка електрони або дірки повинні переміщатися із зони, де їх концентрація більша, в зону з меншою концентрацією, тобто від гарячого кінця до холодного.

Область монокристала напівпровідника, в якій провідність змінюється із електронної на діркову або навпаки, називають електронно- дітовим або р-п-переходом.

Р-я-перехІд утворюється при вирощуванні кристалу напівпровідника за допомогою введення в розплав необхідних домішок. Р-и-перехід володіє властивістю односторонньої провідності струму.

При контакті двох напівпровідників з різними типами провідності буде відбуватися взаємна дифузія зарядів через контакт напівпровідників. Електрони із "-напівпровідника будуть дифундувати в дірковий ^-напівпровідник. В результаті із об'єму "-напівпровідника, що граничить із контактом, перемістяться електрони, у цьому об'ємі буде недостатня кількість електронів, і поблизу границі в ньому утвориться надлишковий позитивний заряд. Дифузія дірок із /"-напівпровідника по аналогічних причинах призведе до виникнення поблизу границі /"-напівпровідника надлишкового негативного заряду. В результаті на границі електронно-діркового переходу утворюється запірний електричний шар товщиною / (рис. 5). Запірний шар має підвищений опір у порівнянні із рештою об'єму напівпровідника.

Зовнішнє електричне поле впливає на опір запірного електричного поля. Якщо напівпровідник підключений до негативного полюсу джерела, а плюс джерела підключений до напівпровідника, то під дією електричного поля електрони напівпровідника та дірки напівпровідника будуть рухатися на зустріч один одному до границі поділу напівпровідників. Електрони, переходячи границю, "заповнюють" дірки. При такому прямому (пропускному) напрямку зовнішнього електричного поля товщина запірного шару та його опір неперервно зменшуються (рис.6). у цьому напрямку електричний струм проходить через границю двох напівпровідників.

Якщо напівпровідник підключений до негативного полюсу джерела, а плюс джерела підключений до напівпровідника, то під дією електричного поля електрони напівпровідника та дірки напівпровідника будуть рухатися у протилежні сторони від границі поділу напівпровідників (рис.7). Це призводить до потовщення запірного шару та збільшення його опору. Напрям зовнішнього електричного поля, що розширює запірний шар, називають запірним (зворотнім). При такому напрямку зовнішнього поля електричний струм через контакт двох напівпровідників практично не проходить.



Напівпровідниковий діод. Застосування напівпровідникових приладів. Електронно-дірковий перехід володіє односторонньою провідністю, аналогічно випрямляючій дії двоелектродної лампи - діода. Тому напівпровідник із одним р-п переходом називають напівпровідниковим діодом.

Перевагами напівпровідникових діодів є невеликі розміри та маса, тривалий термін експлуатації, висока механічна міцність, високий коефіцієнт корисної дії, а недоліками - обмежений інтервал температур, в якому діод працює (приблизно від - 70 до +125°С).

Транзистор. Для виготовлення транзистора із монокристалу Германію з електронною провідністю в нього з двох протилежних сторін вводиться домішки атомів Індію. Дві області монокристалу Германію з домішками Індію стають напівпровідниками із дірковою провідністю, а на границя їх дотику із основним кристалом виникають два р-п переходи. Середня область кристалу називається базою (б) транзистора, а дві крайні області кристалу називаються колектором (к) та емітером (е). транзистори, в яких емітер та колектор володіють дірковою провідністю, а база електронною, називають транзисторами р-п-р-переходу. Транзистори п-р-п-переходу мають аналогічну будову - лише матеріал бази в них володіє дірковою провідністю, а колектор та емітер - електронною. Умовне позначення транзистора на схемах зображено на рис.8.

Основна властивість переходу - його одностороння провідність - використовується для випрямляння змінних струмів. Сьогодні випрямлячі виготовляються, в основному, на основі Силіцію. їх використовують у радіотехніці, автоматиці, електротранспорті, електрометалургії. Напівпровідникові випрямлячі надзвичайно економічні й надійні. Особливе значення розвиток напівпровідникової техніки має для створення електронно- обчислювальних машин. [3,266-285]



2. Особливості вивчення теми

Під час вибору змісту курсу фізики враховується рівень розвитку фізичної науки,зв'язок фізики з іншими навчальними предметами, із життям, з розвитком техніки. Зокрема, успіхи і досягнення фізичної науки в галузі дослідження напівпровідників зумовили необхідність підвищення наукового рівня викладання фізики, приведення його у відповідність до сучасного рівня розвитку науки та техніки.

Початок використання напівпровідників та напівпровідникових приладів було покладено після винайдення транзистора у 1948 році. Фізика напівпровідників сьогодні - це галузь науки, досягнення якої використовуються практично в будь-якій галузі діяльності людини. Велика популярність напівпровідників пояснюється високою економічністю апаратури на напівпровідниках, довговічністю та надійністю при малих габаритах.

Оскільки вивчення будь-якого поняття починається з визначення, розглянемо визначення напівпровідників, подані у шкільних підручниках. У підручнику [3] стверджується: "Напівпровідники - це речовини, які за своїм питомим опором займають проміжне місце між провідниками та діелектриками. Опір напівпровідників під час нагрівання зменшується, він також залежить від освітленості, температури, різних типів випромінювання тощо." На мою думку, дане визначення не можна вважати чітким, адже характер залежності питомого опору від температури не є їхньою характерною особливістю, яка вирізняє їх від інших речовин. Для ілюстрації цього можна навести приклад залежності питомого опору від температури для електролітів, який веде себе аналогічно до питомого опору напівпровідників при зміні температури.

Відсутність чіткого визначення зумовлювало на різних етапах вивчення напівпровідників коригування уже існуючих визначень. Відоме класичне визначення напівпровідників, яке ґрунтується на різній здатності речовин проводити електричний струм: "Напівпровідники - широкий клас речовин з електронним механізмом електропровідності, питоме значення якої займає проміжне положення між металами (сг = 10⁴ -10⁶ ОлГ¹ -слг¹) і гарними діелектриками О = 10"¹²-10 `"ОлГ'-слГ¹) (інтервали значень вказані при кімнатній температурі)" [9].

Розвиток вчення про напівпровідники виявив недосконалість такого визначення. Відомо, що при значному вмісті домішок, такі відомі напівпровідники, як Германій та Кремній, мають питому провідність 10*Ом~'-см~^х. Також відомо, що кристали арсеніду галію при відповідному легуванні стають практично ізоляторами. Звідси випливає, що відмінність напівпровідників від металів та діелектриків за питомою провідністю не є їхньою характерною особливістю.

Слід відмітити, що при введені поняття напівпровідник не варто концентрувати увагу саме на конкретній залежності їх питомого опору від певних параметрів, а потрібно відзначити, що напівпровідники - це речовини, питомий опір яких визначається їх станом та умовами зовнішнього середовища (температурою,наявністю домішок, освітленістю і т.п.).

Ще одним недоліком є те, що властивості напівпровідників в курсі фізики вивчаються тільки на прикладі Б і або Ое. Хоча, як відомо, напівпровідників у природі є значно більше.

Потрібно також зазначити, що напівпровідники розрізняють також за агрегатним станом (тверді, рідкі), структурою (кристалічні, некристалічні), хімічним складом ( органічні, неорганічні, елементарні, з'єднання, сплави), властивостями та іншими ознаками [10].

Ще одним недоліком є те, що при вивченні напівпровідникових приладів не вказують їх класифікації та матеріалів, з яких вони виготовленні. Так, при вивченні терморезисторів варто вказати, що за призначенням їх поділяють на такі групи:

• Для вимірювання та регулювання температури;

• Для термокомпенсадії елементів електричного кола в широкому інтервалі температур;

• Для систем теплового контролю;

• Для використання як чутливого елемента при вимірюванні потужності НВЧ коливань від долі мікровату до одиниць мілівату;

• Для стабілізації напруги в колах постійного та змінного струму;

• Для регулювання безконтактних опорів з розділеними ділянками регулювання та управління [9].

Всі вище наведені доповнення стосуються переважно класів із поглибленими вивченням фізики або факультативів. Але навіть у базовому курсі фізики варто, враховуючи принцип науковості процесу навчання, звернути увагу на протиріччя між наведеними у шкільних підручниках визначення напівпровідників та сучасним рівнем знань про них, розповісти про класифікацію напівпровідників та напівпровідникових приладів.

Якщо ж говорити про вивчення теми "Напівпровідники" у базовому курсі фізики, то тут слід розглянути дві групи питань: електропровідність напівпровідників та її залежність від температури, освітленості та домішок; напівпровідникові пристрої та їх технічні застосування.

Залежність електропровідності напівпровідників від температури є яскраво вираженою і є найбільш загальною властивістю для усіх напівпровідників. Вивчення цієї залежності допомагає вияснити походження носіїв заряду в напівпровідниках та показати технічне застосування напівпровідників для вимірювання та регулювання температури.

При вивченні даної властивості напівпровідників доцільно було б використати наступну демонстрацію:

Залежність опору напівпровідників від температури.



Установку збирають згідно із рисунком. З термістора знімають провідниковий нагрівач. Напругу джерела струму підбирають такою, щоб при замиканні кола стрілка гальванометра відхилилася на 2-4 поділки. Звертають увагу на покази гальванометра, коли термістор знаходиться при кімнатній температурі. Опускають термістор у склянку з гарячою водою (50-60°С) і слідкують за показами гальванометра. Роблять висновок про залежність опору напівпровідника від нагрівання. Переносять термістор в склянку із холодною водою, відмічають покази гальванометра, роблять висновок. [11,150-153]

Дану демонстрацію краще проводити перед поясненням матеріалу, що стосується властивостей напівпровідників. Ця демонстрація поставить перед учнями проблему, вирішення якої кожен із учнів зможе запропонувати самостійно в ході пояснення нового матеріалу.

Розглянемо вивчення інших властивостей напівпровідників у шкільному курсі фізики. Згідно із програмою вивчається вплив освітлення на електропровідність напівпровідників, хоча й відомі інші методи зміни електропровідності напівпровідників, зокрема: вплив випромінювання, бомбардування швидкими часточками, дією сильного електричного поля, деформацією і т.д. Вплив на електропровідність напівпровідників освітлення (внутрішній фотоефект) лежить в основі дії різноманітних фотоопорів, що широко використовуються в оптичних вимірюваннях та в фотоелектронній автоматиці.

Для демонстрації даної властивості при поясненні матеріалу доцільно провести наступну демонстрацію:

Залежність опору напівпровідників від освітленості.

Установку збирають згідно із рисунком. Замикають ключ і звертають увагу на покази гальванометра. Стрілка відхилилася на 2-4 поділки. Вмикають електричну лампу, яка знаходиться на відстані 0,5м від фоторезистора. Слідкують за показами гальванометра. Роблять висновки. [11,160-162]

Важливе значення має також вивчення залежності електропровідності напівпровідників від різноманітних домішок, оскільки вони відіграють вирішальну роль у електричних властивостях напівпровідників. Домішки змінюють не лише величину електропровідності, а й знак носіїв заряду. Вивчення домішкової електропровідності дозволяє пояснити яким чином можна створити напівпровідники із наперед заданими властивостями.

Крім перерахованих властивостей напівпровідників, у шкільному курсі фізики передбачено вивчення контактних властивостей напівпровідників, з різними типами провідності, тобто властивостей електронно-діркового переходу. Саме ЦІ властивості сприяли широкому використанню напівпровідникових приладів у техніці.

Випрямляюча властивість електронно-діркового переходу лежить в основі роботи напівпровідникового діода. Він широко використовується у радіотехніці, електроніці, автоматиці та енергетиці. На основі фотоелектричних властивостей напівпровідників працюють фотоелементи, фотоелектронні перетворювачі. У шкільному кірсі фізики вивчаються лише фотоелементи, що широко використовуються при світлових вимірюваннях, у звуковому кіно, телебаченні.

Вивчення термоелектричних властивостей напівпровідників дозволяє по напрямку термос току визначити знак носіїв заряду І таким чином, експериментально дослідити існування електронної та діркової провідності в напівпровідниках.

Основні властивості напівпровідників, механізми власної та домІшкової провідності напівпровідників у курсі шкільної фізики пояснюється на основі класичної електронної теорії із використанням поняття хімічного зв'язку.

Вивчення власної провідності напівпровідників доцільно розпочати короткого повторення будови твердого тіла та розгляду різноманітних видів зв'язків між атомами та молекулами в кристалах.

Особливу увагу слід приділити на ковалентні зв'язки, що характерні для напівпровідників.

Розглядають ідеальну решітку германію чи кремнію за низьких температур, коли всі електрони атомів утворили ковалентні зв'язки із сусідніми атомами. Тобто електрони не можуть брати участь у проходженні електричного струму - напівпровідник веде себе як діелектрик.

Для вивільнення валентних електронів необхідно затратити певну енергію. Цю енергію електрони можуть отримати, наприклад, в результаті теплового руху чи освітлення. Вводять поняття електронної провідності напівпровідників.

За допомогою цього ж прикладу, беручи до уваги утворення вакантних місць при розриві ковалентних зв'язків. Таким чином вводять поняття діркової провідності напівпровідників.

Далі розглядають той самий напівпровідник, в кристалічну решітку якого внесено домішки (атом п'ятивалентного або тривалентного елемента). Звертають увагу, що при внесенні домішкових атомів концентрація вільних носіїв заряду зростає. На основі цього вводять поняття про основні та не основні носії заряду та двох видів електропровідності - електронної та діркової. Важливо зазначити, що при малих температурах провідність напівпровідників є в основному домішкової, а при високих - власного.

Згідно із попередніми роздувами учням слід наголосити, що дірки не є часточками, а в електропровідності беруть участь лише валентні електрони, ніяких інших носіїв заряду у напівпровідниках немає. Електропровідності відрізняються одна від одної лише механізмом руху електронів.

При вивченні контактних властивостей напівпровідників відмічають, що шляхом введення домішкових атомів в напівпровідник можна отримати не лише електронні чи діркові напівпровідники, але й в одному і тому ж кристалі отримати ділянки з електронною та дірковою провідністю, а на їх межі - електронно-дірковий перехід.

Вивчення основних властивостей напівпровідників повинно зводитися до розгляду їх практичного застосування. Головну увагу слід зосередити на використанні напівпровідників в електроніці, автоматиці та приладобудові. Найкраще це зробити шляхом демонстрацій відповідних дослідів із напівпровідниковими приладами. Проте це є проблематичним, якщо враховувати матеріальну базу кабінету фізики у сучасній школі.

В процесі вивчення напівпровідникових приладів необхідно виділити в них основне, принципове; вияснити, перш за все, суть фізичних процесів, які мають місце при роботі приладу; вияснити в приладах риси їх подібності та розбіжності.

При вивченні основних властивостей напівпровідникових приладів слід опиратися на демонстраційний та лабораторний експеримент.



3. Задачі при вивченні теми

Оволодіти шкільним курсом фізики означає не тільки зрозуміти фізичні явища та закономірності, а й уміти застосовувати їх на практиці. Будь-яке застосування загальних теоретичних положень фізики для розв'язування конкретного, окремого питання є розв'язуванням фізичної задачі.

Розв'язування задач є невід'ємною складовою частиною навчального процесу, бо дозволяє формувати і збагачувати фізичні поняття, розвиває фізичне мислення учнів, їх навички застосування знань на практиці. У процесі розв'язування задач формуються працелюбність, допитливість розуму, самостійність у судженнях, виховується інтерес до навчання, загартовується воля і характер, розвивається вміння аналізувати явища, узагальнювати відомості про них тощо. Велика роль задач у здійсненні політехнічного принципу навчання. Розв'язування задач є способом перевірки І систематизації знань, дає можливість раціонально проводити повторення, розширювати і поглиблювати знання, сприяє формуванню світогляду, знайомить з досягненнями науки, техніки т.п. Усе це дозволяє говорити про розв'язування задач як метод навчання. Вважають, що без розв'язування задач курс фізики не може бути засвоєний. Фізичні задачі використовуються для:

створення проблемних ситуацій;

• повідомлення нових знань;

• формування практичних умінь і навичок;

• перевірки глибини і міцності засвоєння знань; повторення і закріплення матеріалу;

• розвитку творчих здібностей учнів та ін.

Якщо ж говорити про вивчення теми "Напівпровідники" у шкільному курсі фізики, то математичний апарат, який дозволяє чисельно характеризувати ті процеси, що відбуваються у напівпровіднику при проходженні електричного струму крізь нього є настільки складним, що в школі при вивченні даної теми ми не можемо давати дітям задач на обрахунок.

Переважна більшість шкільних задач по темі "Напівпровідники" є якісними або носять характер вправи на одну дві формули, що вивчалися на попередніх уроках.

Приклади якісних задач:

1. Є два резистори: звичайний радіотехнічний і напівпровідниковий (термістор). їх форма і розміри і значення опорів при температурі 20°С одинакові. Як визначити резистор, виготовлений із напівпровідникової речовини? [3,269]

2. На рисунку 1 показано дві схеми вмикання в електричне коло /7-и-переходу. Що покаже у першому і другому випадках? Поясніть явища, що відбуваються в елементах кола. [3,279]

3. Довести міркування, що сполука іпАб (арсенід індію), в якій кількості речовини (в молях) Індію та миш'яку однакові, матиме провідність типу власної провідності елементів четвертої групи (ве, 8і). Якого типу буде провідність, якщо збільшити концентрацію Індію? Миш'яку? [4,105]

4. Щоб дістати домішкова провідність необхідного типу, в напівпровідниковій техніці часто застосовують Фосфор, Галій, миш'як, Індій та сурму. Який з цих елементів можна внести в Германій як домішку, щоб мати електронну провідність? [4,105]

На рисунку 2 зображено графіки залежності сили струму. Що проходить крізь фоторезистор, від прикладеної напруги. Який графік стосується освітленого фоторезистора, а який - розміщеного в темряві? Чи можна застосувати закон Ома до цього фоторезистора і за яких умов? У скільки разів опір освітленого фоторезистора менший ніж опір затемненого?



Розрахункові задачі:

1. Визначити опір напівпровідникового діода у прямому та зворотному напрямках струму, якщо при напрузі на діоді 0,5В сила струму 5мА, а при напрузі -10В сила струму ОДмА. [5,122]

2. У підсилювачі, складеному на транзисторі за схемою із спільною базою, сила струму у колі емітера дорівнює 12мА, у колі бази бООмкА. Знайти силу струму в колі колектора. [5,122]

3. Концентрація електронів провідності в германію при кімнатній температурі п = 3 -10^І9лГ³. Яку частину становить кількість електронів провідності від загальної кількості атомів? Густина германію р = 5400кг/.м³, молярна маса германію М = 0,073 кг/м³. [4,105]

4. До кінців кола, що складається з послідовно ввімкнених термістора та резистора опором ІкОм, подали напругу 20В. при кімнатній температурі сила струму в колі була 5мА. Коли термістор занурили в гарячу воду, сила струму стала ЮмА. У скільки разів змінився опір термістора. [4,105]

5. Фоторезистор, Який у темряві має опір 25кОм, ввімкнено послідовно з резистором, що має опір 5кОм. Коли фоторезистор освітили, сила струму в колі (при тій самій напрузі) збільшилася в чотири рази. Визначити опір фоторезистора. [4,105]

4. Інтерактивні методи при вивченні теми

Інтерактивне навчання ґрунтується на взаємодії учня із навчальним середовищем, яке є областю набування досвіду. Порівняно із традиційними методами навчання в інтерактивному навчанні педагог і учні міняються місцями: активність учителя поступається активності учнів. В інтерактивному навчанні учитель є своєрідним фільтром, який пропускає крізь себе інформацію і виконує функцію помічника та одного із джерел інформації. Для інтерактивних методів навчання характерно те, що учні активно здобувають та застосовують знання [12,4].

Технічні засоби навчання можна розглядати як одну із частин інтерактивного методу. До технічних засобів навчання належать як технічні пристрої(проекційна апаратура, магнітофони) так і засоби навчання(діа- та кінофільми, діапозитиви, кодограми, відеозаписи). Останні є носіями навчальної інформації. Основне завдання технічних засобів - підвищення ефективності навчально-виховного процесу.

Роль та можливості образотворчої наочності та ТЗН на уроках фізики такі:

1. Вони підвищують наочність навчання, ілюструючи пояснення вчителя.

2. Повідомляють учням нові знання. У багатьох випадках дають повнішу і точнішу інформацію про явища та об'єкти, ніж інші засоби.

3. Створюють можливість ознайомлення учнів із складними науковими дослідами, установками.

4. Найповніше задовольняють інтереси учнів у галузі науки та розвивають їх природну допитливість.

5. Застосування технічних засобів програмованого навчання звільняє вчителя від великого об'єму технічної роботи, дозволяючи більше уваги приділити творчій стороні його діяльності.

В основі використання образотворчої наочності та ТЗН на уроках фізики лежать цілком певні психічні процеси. Учитель використовує такі збудники, які сильно впливають на органи відчуттів учня, ґрунтовно перебудовуючи всі його психічні функції. Зорові і слухові аналізатори, які беруть участь у процесі сприйняття, забезпечують отримання міцніших і повніших знань про питання, що вивчаються.

Використання діючих моделей (насоса, електродвигуна, підіймального крана, гідравлічного преса тощо) дозволяє продемонструвати роботу того чи іншого механізму. У діючих моделях використовується, як правило, фізичне явище, чке "працює" і в натуральному об'єкті.

При використанні макетів (атомної електростанції, космічного корабля, розрізу двигуна внутрішнього згоряння, парової машини та ін.) з'ясовується принцип дії відповідного механізму та взаємодія його окремих частин.

Колекції (види палива, синтетичні матеріали, лампи розжарювання, провідники та ізолятори тощо) покликані розширити світогляд учнів, ознайомити їх з різними видами.

Якщо ж говорити про застосування інтерактивних технологій до даної теми, то можна запропонувати програмний засіб "Віртуальна фізична лабораторія 10-11 клас". Завданням цього методичного електронного посібника є організація виконання віртуальних лабораторних робіт з фізики у 10-11 класах. В навчально-виховному процесі фізики даний електронний посібник виступає як керівництво до дії учнів та як засіб планування їх навчальної діяльності та контролю навчальних досягнень.

Учитель, використовуючи ППЗ "Віртуальна фізична лабораторія 10-11 кл." отримує можливість:

- Забезпечити індивідуальне та групове виконання фронтальних лабораторних робіт. Формувати експериментальні уміння та навички учнів за допомогою тренажерів при підготовці до виконання реальних фронтальних лабораторних робіт, використовуючи для цього інтерактивні моделі лабораторних робіт або відеофрагменти їх виконання.

Використання фонду бібліотек ППЗ в сукупності з вмонтованою в нього оболонкою "Конструктор уроку" надає можливість учителю фізики самому визначити структуру видів наочності та послідовність її пред'явлення в залежності від поставлених цілей та вибору методів їх реалізації.

- Пропонувати учням експериментальні завдання різних рівнів складності, забезпечуючи диференціацію у виконанні експериментальних завдань.

- Урізноманітнити та збагатити методичний апарат виконання фронтальних лабораторних робіт.

- Використовувати як в цілому, так і окремі фрагменти віртуальних лабораторних робіт.

- В процесі підготовки до виконання лабораторної роботи знайомити учнів із приладами, які будуть використовуватись в процесі її виконання, використовуючи для цього інформацію, що міститься в модулях "Галерея приладів".

- Перевіряти шляхом тестування степінь сформованості відповідних практичних умінь і навичок.

Учень, який працює з ППЗ:

- Отримує можливість виконувати віртуальні лабораторні роботи з фізики самостійно в оптимальному для нього темпі. В режимі самонавчання ППЗ "Віртуальна фізична лабораторія 10-11 кл." надає можливість користувачеві отримати повну інформацію про предмет дослідження, способи реалізації дослідження, прилади та обладнання, необхідні для проведення дослідження.

- Спостерігає за процесом виконання реального лабораторного дослідження шляхом використання відеофрагмента лабораторної роботи. При цьому, використовуючи відео паузи, самостійно керує темпом подачі відеоінформації. Використовує відео паузи для зняття показів з шкал приладів, що використовуються в лабораторній роботі.

- Може спостерігати динаміку різних фізичних процесів, обирати складність завдань в міру його пізнавальних можливостей.

За новою програмою тема "Напівпровідники" вивчається в 11 класі, оскільки ППЗ створене у відповідності із старою програмою, то лабораторні роботи та досліди з цієї теми можна знайти у 10 класі. У програмному засобі запропоновано три лабораторних роботи із лабораторного практикуму, проте відеозаписи дослідів можна використати і при поясненні нового матеріалу. Але не слід зловживати електронними версіями дослідів із фізики, ОСКІЛЬКИ при цьому втрачається, частково, інтерес до фізичних експериментів, тому що учні не завжди можуть об'єктивно оцінити побачене та зробити правильні висновки у випадку, коли робота не була проведена ними або вчителем.

Лабораторні роботи, що пропонуються у програмному засобі:



5. Методичні рекомендації щодо введення основних понять розділу

Одним з найважливіших завдань учителя фізики в навчальній роботі з фізики є формування фізичних понять - невід'ємної складової процесу формування і розвитку абстрактного і логічного мислення учнів. Рівень оволодіння учнями фізичними поняттями є свідченням їх успіхів у оволодінні знаннями і запорука їх подальшого руху в освоєнні навчального матеріалу.

Процес формування фізичних понять підпорядковується загальним закономірностям формування будь-яких інших понять. Проте на цей процес накладаються особливості фізики як науки. Такими особливостями є широка опора на чуттєвий аспект пізнання природи через спостереження і експеримент; використання таких категорій як фізична величина для кількісного вираження ознак, об'єднаних одним поняттям; органічне поєднання емпіричного і теоретичного методів пізнання.

При формування фізичних понять вчитель повинен з'ясувати і врахувати рівень початкових знань і понять учнів і відповідно цьому обрати стратегію роботи з учнями.

При вивченні теми "Напівпровідники" перед вчителем постає завдання сформувати наступні фізичні поняття: напівпровідники, дірка, власна провідність, домішкова провідність, прямий струм, зворотній струм, електронно-дірковий перехід (р-и-перехід).

Розглянемо яким чином можна ввести ці поняття.

Напівпровідники. У другій половині XX ст. увагу фізиків привернули кристали, властивості яких помітно відрізнялися від інших кристалічних речовин: вони проводили електричний струм, але гірше, ніж метали; їхній питомий опір (на відміну від металів) з підвищенням температури зменшувався. Назвали їх напівпровідниками. Подальше вивчення властивостей цих незвичайних речовин привело до виявлення в них низки чудових властивостей, які тепер використовують у різних галузях науки і техніки, побуті.

Одним з найважливіших завдань учителя фізики в навчальній роботі з фізики є формування фізичних понять - невід'ємної складової процесу формування і розвитку абстрактного і логічного мислення учшв. Рівень оволодіння учнями фізичними поняттями є свідченням їх успіхів у оволодінні знаннями і запорука їх подальшого руху в освоєнні навчального матеріалу.

Процес формування фізичних понять підпорядковується загальним закономірностям формування будь-яких інших понять. Проте на цей процес накладаються особливості фізики як науки. Такими особливостями є широка опора на чуттєвий аспект пізнання природи через спостереження і експеримент; використання таких категорій як фізична величина для кількісного вираження ознак, об'єднаних одним поняттям; органічне поєднання емпіричного і теоретичного методів пізнання.

При формування фізичних понять вчитель повинен з'ясувати і врахувати рівень початкових знань і понять учнів і відповідно цьому обрати стратегію роботи з учнями.

При вивченні теми "Напівпровідники" перед вчителем постає завдання сформувати наступні фізичні поняття: напівпровідники, дірка, власна провідність, домішкова провідність, прямий струм, зворотній струм, електронно-дірковий перехід (^-"-перехід).

Розглянемо яким чином можна ввести ці поняття.

Напівпровідники. У другій половині XX ст. увагу фізиків привернули кристали, властивості яких помітно відрізнялися від інших кристалічних речовин: вони проводили електричний струм, але гірше, ніж метали; їхній питомий опір (на відміну від металів) з підвищенням температури зменшувався. Назвали їх напівпровідниками. Подальше вивчення властивостей цих незвичайних речовин привело до виявлення в них низки чудових властивостей, які тепер використовують у різних галузях науки і техніки, побуті.

Напівпровідники - це речовини. Які за значенням свого питомого електричного опору займають проміжне положення між металами (р = 1(Г⁷ -10~^&Ом-м) та діелектриками (р > \0~^&0м-м), при цьому їхній питомий опір швидко спадає при підвищенні температури. [6,576]

Дірка. Розглянемо кристал кремнію. Під час його нагрівання кінетична енергія валентних електронів зростає, і окремі зв'язки розриваються. Звільненні від зв'язків електрони стають вільними та починають хаотично рухатися всередині кристалу. Там, звідки електрон вирвався,з'являється дірка яка має позитивний заряд.

Дірка - вакантне місце в кристалічній решітці напівпровідника, утворене внаслідок розриву парно-електронного хімічного зв'язку даного атома.

Іншими словами: дірка - місце з недостачею одного електрона. [6,578] Власна провідність. Кількості вільних електронів та дірок у напівпровіднику рівні. За відсутності електричного поля дірки як і вільні електрони, хаотично рухаються в кристалі.

Якщо до такого кристалу прикласти напругу, то вільні електрони будуть рухатися в певному напрямку ("-провідність), тобто створюватимуть електричний струм. У цей же час на хаотичний рух дірок буде накладатися їх рух вздовж ліній напруженості поля (р-провідність).

Отже, у чистому (без домішок) напівпровіднику провідність створюється як вільними електронами, так і електронами, що утворюють зв'язки між атомами у кристалі. Така провідність дістала назву власної провідності напівпровідників. [3,272]

Домішкова провідність. У напівпровіднику, крім власної провідності, може виникати додаткова, так звана домішкова провідність. Якщо до чистого напівпровідника внести незначну кількість атомів іншого хімічного елемента, одержимо домішко вий напівпровідник, електропровідність якого значно

перевищуватиме електропровідність власного напівпровідника.

Домішкова провідність напівпровідників - це провідність зумовлена внесенням у напівпровідник атомів домішок з валентністю більшою або меншою, ніж в атомів чистого напівпровідника.

Наприклад, якщо в кристалічній решітці Германію, який має чотири валентних електрони, один із атомів замінити атомом п'ятивалентного елемента, наприклад миш 'яку (Аб) (рис.З), то його чотири валентних електрони будуть брати участь у ковалентних зв'язках із сусідніми атомами Германію, а п'ятий електрон буде "зайвим". Він буде значно слабше зв'язаний із своїм атомом і легко може його залишити і стати вільним електроном провідності.

Атоми, що віддають "зайві" електрони в кристали напівпровідників називають донорами. Напівпровідники такого типу називають електронними або напівпровідниками п-типу.

Провідність п-типу,або електронна провідність, - електропровідність донорних напівпровідників, яка зумовлена рухом електронів.

Якщо в кристалічній решітці Германію один із атомів замінити атомом трьохвалентного елемента, наприклад Індію (Іп) (рис. 4), то для повного комплекту ковалентних зв'язків, необхідних для решітки Германію, не буде вистачати одного електрона. Утворюється вакансія, яка може бути заповнена за рахунок захоплення електрона сусіднього атома Германію. Тоді на місці захопленого електрона в атомі Германію утворюється дірка. В свою черіу ця дірка може бути заповнена електроном із наступного сусіднього атома Германію. В електричному полі дірка почне рухатися в напрямку вектора напруженості, аналогічно до переміщення позитивно зарядженої часточки.

Атоми, що утворюють у ковалентних зв'язках вакансії, називають акцепторами. Напівпровідники такого типу називають дірковими або напівпровідниками р-типу.

Провідність р-типу, або діркова провідність - домішкова провідність напівпровідників, зумовлена рухом дірок. [6,579-580]

Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід).

При контакті двох напівпровідників з різними типами провідності буде відбуватися взаємна дифузія зарядів через контакт напівпровідників. Електрони із напівпровідника будуть дифундувати в дірковий напівпровідник. В результаті із об'єму напівпровідника, що граничить із контактом, перемістяться електрони, у цьому об'ємі буде недостатня кількість електронів, і поблизу границі в ньому утвориться надлишковий позитивний заряд. Дифузія дірок із р-напівпровідника по аналогічних причинах призведе до виникнення поблизу границі р-напівпровідника надлишкового негативного заряду. В результаті на границі електронно-діркового переходу утворюється запірний електричний шар товщиною. Запірний шар має підвищений опір у порівнянні із рештою об'єму напівпровідника.

Область монокристала напівпровідника, в якій провідність змінюється із електронної на діркову або навпаки, називають електронно-дірковим або р-п- переходом.

Прямий струм.

Зовнішнє електричне поле впливає на опір запірного електричного поля. Якщо "-напівпровідник підключений до негативного полюсу джерела, а плюс джерела підключений до р-напівпровідника, то під дією електричного поля електрони напівпровідника та дірки р-напівпровідника будуть рухатися на зустріч один одному до границі поділу напівпровідників. Електрони, переходячи границю, "заповнюють" дірки. При такому прямому (пропускному) напрямку зовнішнього електричного поля товщина запірного шару та його опір неперервно зменшуються (рис.6). у цьому напрямку електричний струм проходить через границю двох напівпровідників і такий струм називають прямим струмом.

Зворотній струм.

Якщо напівпровідник підключений до негативного полюсу джерела, а плюс джерела підключений до напівпровідника, то під дією електричного поля електрони напівпровідника та дірки р-напівпровідника будуть рухатися у протилежні сторони від границі поділу напівпровідників (рис.7). Це призводить до потовщення запірного шару та збільшення його опору. Напрям зовнішнього електричного поля, що розширює запірний шар, називають запірним (зворотнім). При такому напрямку зовнішнього поля електричний струм через контакт двох напівпровідників практично не проходить і такий струм називають зворотнім струмом.



6. Плани-конспекти уроків

Тема №1 Електропровідність напівпровідників. Власна та домішкова провідності напівпровідників.

Мета: з'ясувати за якими найбільш характерними ознаками виділяють напівпровідники, розкрити природу провідності напівпровідників; розвивати логічне мислення в учнів.

Обладнання: набір напівпровідникових приладів, джерело постійного струму на 4-8В, періодична система елементів Менделєєва.

План уроку

Етапи	Тривалість	Методи, що застосовуються
Актуалізація знань	5хв	Коментарі вчителя
Пояснення нового матеріалу	25хв	Коментарі вчителя, відповіді учнів на запитання. Проведення демонстрацій
Закріплення нового матеріалу	ІОхв	Розв'язування задач.
Завдання до дому	5хв	Коментарі вчителя

Хід уроку

I Актуалізація.

У другій половині XX ст. увагу фізиків привернули кристали, властивості яких помітно відрізнялися від інших кристалічних речовин: вони проводили електричний струм, але гірше, ніж метали; їхній питомий опір (на відміну від металів) з підвищенням температури зменшувався. Назвали їх напівпровідниками. Подальше вивчення властивостей цих незвичайних речовин привело до виявлення в них низки чудових властивостей, які тепер використовують у різних галузях науки і техніки, побуті.

II Пояснення нового матеріалу

Напівпровідники - це речовини. Які за значенням свого питомого електричного опору займають проміжне положення між металами (уо = 10^-7 -Ом-м) та діелектриками (р>]0^&0м-м), при цьому їхній питомий опір швидко спадає при підвищенні температури і залежить від освітленості.

Демонстрування дослідів.

Дослід №1. Демонстрування залежності опору напівпровідників від температури (за відсутності приладів використовуємо програмний засіб "Віртуальна фізична лабораторія 10-11 клас").

Дослід №2. Демонстрування залежності опору напівпровідників від освітленості.

Бесіда із учнями.

1. Давайте пригадаємо будову твердого тіла.

2. Яким чином атоми та молекули зв'язані між собою у твердих тілах?

3. Які види хімічних зв'язків ви знаєте?

Типовими, широко використовуваними напівпровідниками є Германій (Ое), Кремній (Бі) та Телур (Те). Ці хімічні елементи відносяться до четвертої та шостої груп періодичної системи, і на зовнішній електронній оболонці атомів цих елементів міститься чотири валентних електрона.

В чистому кристалі Германію та в інших кристалах напівпровідникових елементів при низьких температурах вільних електронів немає, а такі кристали за даних умов є хорошими діелектриками.

Кристали Германію та інших напівпровідників мають атомну кристалічну решітку. Плоска схема структури кристалу германію зображена на рис.1. Чотири валентних електрона кожного атома Германію зв'язані з такими ж електронами сусідніх



Електропровідність чистого напівпровідника є можливою в тих випадках, коли ковалентні зв'язки в кристалах розриваються. Наприклад. Нагрівання до порівняно невисоких температур призводить до розриву ковалентних зв'язків, появі вільних електронів та виникнення власної електронної провідності (провідності типу) чистого напівпровідника.

Питомий опір напівпровідників змінюється в дуже великих межах, проте він менший ніж у діелектриків і більший ніж у провідників (рис.2). Крім нагрівання розрив ковалентних зв'язків та виникнення власної провідності напівпровідників може бути викликані освітленням (іфотопровідність напівпровідників), а також дією сильних електричних полів.

Коли кристалічно чистий напівпровідник отримує енергію, яка необхідна для розриву ковалентних зв'язків, і електрон виходить із свого місця, електронейтральність кристала у цьому місці порушується. У тому місці, звідки пішов електрон, виникає у надлишку позитивний заряд - утворюється позитивна дірка. На звільнене від електрона місце - дірку - може переміститися сусідній електрон, а це еквівалентно до того, що перемістилася позитивна дірка: вона з'явилася в новому місці, звідки перемістився електрон.

У зовнішньому електричному полі електрони переміщуються в напрямку, протилежному до напрямку напруженості електричного поля. Позитивні дірки переміщуються в напрямку напруженості електричного поля, тобто в тому напрямку, в якому рухався б позитивний заряд під дією електричного поля.

Процес переміщення електронів та дірок у зовнішньому електричному полі відбувається по всьому кристалі напівпровідника. Електропровідність чистого напівпровідника, що зумовлена впорядкованим переміщенням дірок, називають власного дірковою провідністю (провідністю р-типу).

Загальна питома провідність напівпровідників складається із провідностей п- тар-типів.

Власна і домішкова провідності напівпровідників. На електричні властивості напівпровідників значний вплив можуть створювати домішки.

Домішкова провідність напівпровідників - електропровідність напівпровідників, зумовлена внесенням в їх кристалічні решітки домішок.

Наприклад, якщо в кристалічній решітці Германію, який має чотири валентних електрони, один Із атомів замінити атомом п'ятивалентного елемента, наприклад миш'яку (Аб) (рис.З), то його чотири валентних електрони будуть брати участь у ковалентних зв'язках із сусідніми атомами Германію, а п'ятий електрон буде "зайвим". Він буде значно слабше зв'язаний із своїм атомом і легко може його залишити і стати вільним електроном провідності.