Содержание и методика изучения темы "Электрический ток в полупроводниках" в современной школе
Социально-методические вопросы изучения полупроводников в средней школе. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Изучение электронно-дырочного перехода, диодов, лазера, термистора и транзистора. Составление примерного плана-конспекта уроков.
| Рубрика | Педагогика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.04.2012 |
| Размер файла | 1,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Вольт-амперные характеристики фототранзистора напоминают выходные характеристики обычного транзистора в схеме ОЭ, но параметром здесь служит не ток Iб, а световой поток Ф. Крутой начальный участок этих характеристик соответствует режиму насыщения: при малых Uкэ коллекторный переход, как и в биполярном транзисторе, за счет накопления дырок в коллекторе открывается. Наклон характеристик к оси абсцисс в их пологой части объясняется, так же как и для биполярного транзистора, эффектом модуляции ширины базы.
Энергетические характеристики фототранзисторов, как и фотодиода, линейны. С увеличением напряжения ?n фототок несколько увеличивается вследствие модуляции ширины базы. Одним из важнейших параметров фототранзистора служит коэффициент усиления по фототоку фототранзистора -- отношение фототока коллектора фототранзистора при отключенной базе к фототоку освещаемого р-n перехода, измеренному в диодном режиме.
Разновидности транзисторов
Полупроводниковые "глаза"
Луч света, падающий на полупроводник, переводит часть электронов из валентной зоны в зону проводимости и, следовательно, увеличивает электропроводность полупроводника.
Давно уже перестали быть редкостью прочные и миниатюрные полупроводниковые "глаза" - фотосопротивления, или фоторезисторы. Они идут в технику на смену хрупким и дорогим стеклянным фотоэлементам и надежно работают в различных автоматических устройствах. Можно, например, заставить падать на фотосопротивление тень от деталей, проходящих по заводскому конвейеру, и таким образом подсчитать количество выпущенных деталей, оценить качество шлифовки, окраски изделия. Часто применяются фотосопротивления в устройствах техники безопасности. Стоит рабочему случайно попасть рукой в опасное место машины, как на фотосопротивление падает тень, и ток, текущий через него, прекращается, что служит командой для немедленной автоматической остановки машины.
Фотосопротивления, как и термисторы, могут обладать очень высокой чувствительностью. Прибавьте к этому надежность и прочность, и вы поймете, как ценны эти приборы для техники.
Глава 2. Методика изучения темы
Изучение темы "ток в полупроводниках" необходимо начинать с изучения физических свойств полупроводников и механизмов электропроводности в них. Если ток в металлах и электролитах обусловлен наличием там свободных электронов или ионов, что просто постулируется, то для понимания эффектов в полупроводниках необходимо изучить механизмы генерации, рекомбинации и движения свободных носителей заряда. Подлежащий изучению материал оказывается очень большим по объему. Определение и минимизация этого материала составляет содержание данной главы.
Материал, касающийся принципов работы наиболее распространенных электронных приборов, изложен в первой главе настоящей работы. При изучении темы "Ток в полупроводниках" этот материал должен следовать за подтемой "Электрофизические свойства полупроводников"
Возможно, что предложенный материал будет избыточным. В этом случае его можно подвергнуть дополнительному сокращению за счет отбрасывания промежуточных выкладок.
2.1 Электрофизические свойства полупроводников
2.1.1 Общие сведения о полупроводниках
Полупроводниками являются вещества, занимающие по величине удельной электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают рядом специфических свойств, резко отличающих их от проводников и диэлектриков, основным из которых является сильная зависимость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температуры, света, электрического поля и др.). К полупроводникам относятся элементы четвертой группы периодической таблицы Менделеева, а также химические соединения элементов третьей и пятой групп типа AIII BV (GaAs, InSb) и второй и шестой групп типа AII B VI ( CdS, BbS, CdFe). Ведущее место среди полупроводниковых материалов, используемых в полупроводниковой электронике, занимают кремний и арсенид галлия GaAs.
Курс изучения темы начинается с определения, полупроводники - это вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов (106-104 Ом-1 см-1) и диэлектриков (10-8-10-12 Ом-1 см-1). Характерная особенность чистых полупроводников - возрастание электропроводности с ростом температуры. При низких температурах электропроводность полупроводников мала; на нее влияют и другие внешние воздействия: свет, сильное электрическое поле, потоки быстрых частиц и т. д. Высокая чувствительность электрических и оптических свойств к внешним воздействиям и содержанию примесей и дефектов в кристаллах также характерна для полупроводников. Все эти особенности и определяют их широкое применение в технике. К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.).
2.1.2 Механизм электропроводности полупроводников
Переносчиками заряда в полупроводниках являются электроны. Однако, в отличие от металлов, где валентные электроны могут свободно перемещаться по объему материала, почти все валентные электроны полупроводника связаны со своими атомами и не могут переносить заряд по объему полупроводника. При комнатной температуре лишь небольшая часть валентных электронов обладает энергией теплового движения, достаточной для отрыва от атомов, и может передвигаться по объему. Эти электроны называют свободными или электронами проводимости. Появление свободных электронов сопровождается образованием электронных вакансий в атомах полупроводника. Эти вакансии могут заниматься валентными электронами соседних атомов. В результате появляется возможность перемещения по объему полупроводника и валентных электронов. Таким образом, электропроводность полупроводников осуществляется двумя механизмами: перемещением свободных электронов и перемещением валентных электронов. И те, и другие увлекаются внешним электрическим полем в одну сторону, создавая электрический ток.
Для описания эстафетного движения валентных электронов, оказалось, очень удобно представить это движение в виде встречного движения воображаемых частиц с положительным зарядом. Эти воображаемые частицы получили название дырки, что отражает наличие пустых мест в атомах, покинутых валентными электронами.
В идеальных кристаллах свободные электроны и дырки появляются всегда парами, так что концентрации обоих типов носителей равны. В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться и проводимость осуществляется практически только одним типом носителей.
2.1.3 Собственная и примесная проводимость полупроводников
Собственная проводимость полупроводников - это электропроводность идеально чистого материала. В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводника. Электропроводность чистого полупроводника будет тем большей, чем больше концентрация свободных носителей электрического заряда - электронов и дырок - ni, которая сильно зависит от температуры. Это является причиной температурной зависимости электропроводности чистых полупроводников.
Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей, которые разделяются на два типа: донорные и акцепторные. Ничтожного количества примеси в чистый полупроводник достаточно для изменения его электропроводности на несколько порядков. Это обусловлено тем, что примесные атомы в составе кристаллической решетки полупроводника могут либо поставлять в нее электроны проводимости, либо поглощать валентные электроны полупроводника, увеличивая тем самым концентрацию дырок.
Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными. Полупроводниковые материалы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а дырки не основными, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Примеси, захватывающие валентные электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными. Полупроводники, в которых концентрация дырок значительно превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа. Для примесных полупроводников справедлива т.н. "формула полупроводника":
(2.1)
где n и p - соответственно концентрации свободных электронов и дырок, ni - концентрация свободных носителей чистого полупроводника. Таким образом, увеличение за счет донорной примеси концентрации свободных электронов будет приводить к уменьшению концентрации дырок, а увеличение концентрации дырок, путем введения акцепторной примеси, - к уменьшению концентрации свободных электронов. Это обстоятельство позволяет изменять тип электропроводности полупроводника, подавляя имеющуюся примесь большим количеством противоположной, что широко используется при создании полупроводниковых приборов. Возможности изменения типа электропроводности, однако, ограничены предельными концентрациями растворимости примесей в полупроводнике.
2.1.4 Собственные и примесные полупроводники
Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i (от английского intrinsic - собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей. Примесными полупроводниками называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на: электронные и дырочные.
2.1.4.1Собственный полупроводник
Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки.
В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями (рис. 2.1), в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов. При температуре абсолютного нуля (T=0° K) все валентные электроны находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник подобен диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда (рис. 2.2). При этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится к другой паре атомов. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято называть дыркой.
Процесс возникновения свободных электронов и дырок, обусловленный разрывом ковалентных связей, называется генерацией носителей заряда. Его характеризуют скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, возникающих в единицу времени в единице объема. Скорость генерации тем больше, чем выше температура и чем меньше энергия, затрачиваемая на разрыв ковалентных связей. Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда и характеризуется скоростью рекомбинации R, которая определяет количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени в единице объема. Произведение скорости генерации на время жизни носителей заряда определяет их концентрацию, то есть количество электронов и дырок в единице объема. При неизменной температуре генерационно-рекомбинационные процессы находятся в динамическом равновесии, то есть в единицу времени рождается и исчезает одинаковое количество носителей заряда (R=G). Это условие называется законом равновесия масс. Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным; в этом состоянии в собственном полупроводнике устанавливаются равновесные концентрации электронов и дырок, обозначаемые ni и pi . Поскольку электроны и дырки генерируются парами, то выполняется условие: ni=pi. При этом полупроводник остается электрически нейтральным, т.к. суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется суммарным положительным зарядом дырок. Это условие называется законом нейтральности заряда. При комнатной температуре в кремнии ni=pi=1,4·1010 см3, а в германии ni=pi=2,5·1013 см3. Различие в концентрациях объясняется тем, что для разрыва ковалентных связей в кремнии требуются большие затраты энергии, чем в германии. С ростом температуры концентрации электронов и дырок возрастают по экспоненциальному закону.
2.1.4.2 Электронный полупроводник
Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латинского negative - отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 2.3) помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый ("лишний") электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки. Однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов. Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается nn, а концентрация дырок - pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.
2.1.4.3 Дырочный полупроводник
Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латинского positive - положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рисунок 2.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается pp, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается np, они являются неосновными носителями заряда.
2.2 Электрический ток в полупроводниках
Слово "ток" означает движение или течение чего-то. Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Обычно электрический ток возникает при действии на свободные заряды внешней направленной электромагнитной силы. Однако в полупроводниках направленное движение зарядов возможно за счет хаотического теплового движения, если имеется неоднородность плотности их размещения. В этом случае заряды преимущественно перемещаются из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией. Данное явление называется диффузией, а ток, обусловленный диффузией, называется диффузионным.
Для отличия обычного тока, обусловленного действием электрической силы, от диффузионного обычный ток называют дрейфовым.
2.2.1 Электронно-дырочный переход
При изучении контактных явлений в полупроводниках следует остановиться на способах получения перехода: вплавление примеси, диффузия, ионная имплантация. Все они обеспечивают создание областей с электронной и дырочной электропроводностью в одном полупроводниковом образце.
Еще на стадии создания перехода в нем происходят процессы диффузии дырок из р-области в n-область и свободных электронов из n-области в р-область. В результате на границе двух областей образуется двойной слой электрических зарядов, состоящий из отрицательных и положительных ионов примесных атомов, и порожденное перешедшими зарядами электрическое поле. Это поле противодействует дальнейшей диффузии основных носителей заряда, благодаря чему устанавливается состояние равновесия.
Областью электронно-дырочного перехода считается слой объемных зарядов по обе стороны от границы областей (рис. 2.5). Этот слой называется запорным, потому что он обеднен свободными носителями заряда и во многих случаях может считаться диэлектриком. Здесь необходимо подчеркнуть, что плотности объемных зарядов в запорном слое различны по обе стороны от границы областей, поскольку определяются концентрациями донорной примеси в n-области и акцепторной примеси - в р-области. В целом же двойной слой объемного заряда электрически нейтрален: суммарный положительный заряд в n-области равен суммарному отрицательному заряду в р-области. Основное действие электрического поля объемного заряда состоит в ослаблении им диффузионного тока до очень малой величины тока проводимости (дрейфового тока) запорного слоя. В результате суммарный ток через переход оказывается равным нулю.
Если к переходу прикладывается внешнее напряжение, оно складывается с контактным и, в зависимости от полярности, либо увеличивает, либо уменьшает напряжение на переходе, что приводит к изменению диффузионного тока через него. Что касается дрейфового тока, то его величина, практически не зависит от внешнего напряжения и определяется только скоростью генерации свободных носителей в обедненном слое. Односторонняя проводимость перехода обусловлена тем обстоятельством, что при прямой полярности внешнего напряжения возможно очень сильное увеличение диффузионного тока, а при обратной - лишь очень незначительное уменьшение, поскольку он был близок к нулю.
Кроме того, внешнее напряжение оказывает сильное влияние на толщину запорного слоя, объемные заряды которого непосредственно связаны с напряжением на переходе. Увеличение этого напряжения должно привести к увеличению объемных зарядов. Однако плотность этих зарядов определяется только концентрациями примесей. Следовательно, увеличение зарядов будет происходить за счет увеличения их объемов, что означает увеличение толщины запорного слоя.
2.3 Примерный план-конспект первого урока
Тема: Полупроводники.
Цель и задачи урока:
· Образовательная: сформировать в сознании учащихся первоначальные понятия об электрических свойствах полупроводников.
· Воспитательная: продолжить воспитание культуры умственного труда, развитие качеств личности - настойчивость, целеустремленность, творческую активность, самостоятельность.
· Развивающая: расширить научное мировоззрение учащихся на каждодневно наблюдаемые ими явления.
Оборудование и наглядные пособия:
Источник питания, полупроводниковые диоды, электролампочки, провода соединительные, демонстрационный стенд, электроизмерительный прибор - тестер, информационные плакаты.
Ход урока:
1. Организационный момент: (Задача: создание благоприятного психологического настроя и активация внимания).
2. Подготовка к повторению и обобщению пройденного материала:
Условно-графические обозначения радиоэлементов.
Что такое электрический ток?
Сила тока, единицы измерения.
Класс разбивается на команды и проводится конкурс - кто больше нарисует условно-графических обозначений радиоэлементов и объяснит их назначение.
Сообщение темы и цели занятия.
Полупроводники. Мы должны сформировать первоначальные понятия об электрических свойствах полупроводников.
Объяснение перспективы.
Полупроводники в виде различных электронных приборов присутствуют во всех сторонах нашей жизни. Кто может назвать конкретные применения полупроводников?
(Возможные ответы: светодиодные светофоры, лазерная указка, компьютеры, телевизоры, фотоаппараты, телекамеры, домофоны, стиральные машины, и пр. )
Можно сказать, что изучение и использование полупроводников оказывает существенное влияние на содержание и качество нашей жизни. Рассмотрим по порядку, что собой представляют полупроводники, какими свойствами обладают, и какие полупроводниковые приборы на их основе созданы, какие занимательные опыты можно провести с ними.
3. Основной этап.
Новый материал
Все вещества, встречающиеся в природе, по своим электропроводным свойствам делятся на три группы:
Ш Проводники,
Ш изоляторы (диэлектрики),
Ш полупроводники
фронтальный опрос:
Вопрос: "Почему металлы хорошо проводят электрический ток, а диэлектрики, практически, не проводят?"
Ответ: "в проводниках имеется большое количество свободных электронов, а в диэлектриках их нет.
Вопрос: "Разве в диэлектриках нет электронов?"
Ответ: "Электронов там не меньше чем в металлах, но они связаны с атомами и не могут двигаться по объему образца."
Правильно.
Вопрос электропроводности материала - это вопрос о наличии в нем свободных, т.е. способных передвигаться электрических зарядов. По этому показателю полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
К полупроводникам относится элементы 4 группы таблицы Менделеева, а также некоторые химические соединения. Особенно удобным для использования материалом является кремний (Si). Валентные электроны полупроводника подобно диэлектрику связаны со своими атомами, но эта связь не столь сильна, как в диэлектриках. При комнатной температуре энергии тепловых колебаний достаточно для того, чтобы некоторые из валентных электронов оторвались от своих атомов и стали свободными внутри полупроводникового образца. В результате полупроводниковый образец приобретает т.н. электронную электропроводность.
Уход части валентных электронов от своих атомов порождает второй механизм электропроводности полупроводников, который называется дырочной электропроводностью. Дело в том, что на вакантное место освободившегося электрона может перейти валентный электрон соседнего атома. В результате вакансия, которую назвали дырка, может передвигаться по объему образца и переносить электрический заряд. Фактически движение и эстафетный перенос заряда осуществляют валентные электроны, но введение воображаемой частицы с элементарным положительным зарядом - дырки оказалось очень удобным и прочно вошло в физику полупроводников.
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).-дается под запись.
В чистом полупроводнике число свободных электронов и дырок одинаково.
Добавляя примеси, можно получить полупроводник с преобладанием электронной или дырочной проводимостью.
Если в 4-х валентный кристалл кремния добавить 5-ти валентный мышьяк (сурьму) то получим n - проводник.
При добавлении 3-х валентного индия, получим р - проводник.
Ничтожного количества примеси достаточно для изменения концентрации свободных электронов или дырок на несколько порядков. Поэтому свободные носители заряда, образующиеся за счет примеси, называются основными, собственные свободные носители заряда полупроводника - неосновными.
Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход).
Если просто привести в соприкосновение два отдельных полупроводниковых образца с р и n проводимостью, то ток через это соединение на пойдет. Полупроводниковые образцы на воздухе покрываются окисной пленкой, которая является отличным диэлектриком. Контакт электронного и дырочного полупроводников создается внутри единого образца. Для этого, например полупроводник с дырочной электропроводностью на одной из поверхностей легируется донорной примесью. В результате тип электропроводности у поверхности становится электронным, а в глубине сохраняется дырочная проводимость. Следовательно, возникает p-n-переход, схематично изображенный на рисунке.
Тепловое движение дырок в р-области и свободных электронов в n-области будет приводить к их преимущественному перемещению из областей большой концентрации в области с меньшими концентрациями. Этот процесс называется диффузией (под запись). В результате дырки из р-области устремятся в n-область, а свободные электроны - из n-области в р. Т.е. возникает направленное движение заряженных частиц, которое является электрическим током. Поскольку данный ток обусловлен диффузией, он называется диффузионным. При этом перешедшие в р-область электроны оказываются захваченными атомами акцепторной примеси, а перешедшие в n-область дырки есть не что иное, как валентные электроны донорной примеси
Примыкающая к границе перехода сторона р-области заряжается отрицательно, а n-области - положительно. Все эти процессы происходят еще при создании перехода. В результате на переходе возникает т.н. контактная разность потенциалов, которая действует против диффузионного тока и уменьшает его почти до нуля.
Электронно-дырочный переход в электрической цепи.
Поставим следующий опыт, Включим электронно-дырочный переход последовательно в простую цепь, которая состоит их источника постоянной ЭДС и лампочки.
Когда плюсовая клемма источника ЭДС подключена к р-области, а минусовая через лампочку - к n, в цепи течет сильный ток, о котором свидетельствует свечение лампочки. При обратной полярности включения перехода тока в цепи нет. Этот опыт говорит о том, что переход обладает односторонней проводимостью. Определим механизм этого эффекта.
В первом случае, когда положительный полюс источника подсоединен к р-области, и минус - к n-области, напряжение внешнего источника противоположно по полярности контактному напряжению. Следовательно, суммарное напряжение на переходе уменьшается, в сравнении с равновесным состоянием. Противодействие этого напряжения диффузионному току уменьшается, и этот ток сильно увеличивается.
Во втором случае внешнее напряжение совпадает по полярности с контактным. При этом суммарное напряжение увеличивается, что приводит к ослаблению диффузионного тока. Поскольку этот ток и без того был ослаблен почти до нуля контактным напряжением, он остается практически нулевым.
Таким образом, односторонняя проводимость p-n-перехода обусловлена однонаправленностью диффузионного тока через переход. Что же касается дрейфового тока, то он всегда близок к нулю, так как определяется очень малыми концентрациями неосновных носителей в р и n областях.
Полярность внешнего напряжения на переходе, при которой он пропускает ток, и сам ток в этом случае называются прямыми, притивополжная полярность напряжения и ток - обратными.
Односторонняя проводимость p-n-перехода отражается в его условных обозначениях. Во всех случаях изображается контакт и стрелка, показывающая направление пропускания тока - от р-области к n (под запись).
Закрепление материала. Фронтальный опрос.
1. Какие материалы относятся к полупроводникам?
2. Поясните механизм собственной электропроводности полупроводников?
3. Каким образом примесь увеличивает электропроводность полупроводника.
4. Поясните механизм образования электронной примесной электропроводности.
5. Поясните механизм образования дырочной примесной электропроводности.
6. Что такое p-n-перход, как его изготавливают,
7. Объясните одностороннюю проводимость p-n-перехода.
Домашнее задание: повторить пройденный материал. Подумать над решением следующей задачи:
Люстра имеет две лампочки. Обычно для независимого их включения и выключения используется три провода, идущих от выключателей к люстре. Можно ли, используя одностороннюю электропроводность p-n-переходов, обойтись только двумя проводами, если собрать цепь, показанную на рисунке.
(Ответ: Да можно, выключатель А управляет лампочкой а, выключатель Б - лампочкой б)
Демонстрация изменения сопротивления полупроводника при освещении
Установку собирают с фоторезистором по рисунку. Замыкают ключ и замечают показание гальванометра (2--4дел.). Включают электрическую лампу, находящуюся на расстоянии 0,5м от фоторезистора, и медленно ее приближают к фоторезистору, следят за показанием гальванометра. Обращают внимание учащихся, что при освещении возрастает проводимость, а значит, уменьшается сопротивление.
2.4 Примерный план-конспект второго урока
Тема: Электронные приборы на основе p-n-перехода: вентильный диод, светодиод, лазерный диод, фотоэлемент, солнечная батарея.
Цель и задачи урока:
· Образовательная: расширить знания учащихся о приборах на основе p-n-перехода.
· Воспитательная: продолжить воспитание культуры умственного труда, развитие качеств личности - настойчивость, целеустремленность, творческую активность, самостоятельность.
· Развивающая: расширить научное мировоззрение учащихся на каждодневно наблюдаемые ими явления.
Оборудование и наглядные пособия:
Источник питания, лазерная указка, фотоэлементы, солнечная батарея, демонстрационный стенд, информационные плакаты.
Ход урока:
1. Организационный момент: (Задача: создание благоприятного психологического настроя и активация внимания).
2. Подготовка к повторению и обобщению пройденного материала:
1.Ребята получают тестовые задания (время на выполнение 7 минут):
Что такое электрический ток?
2.Какую проводимость создают свободные электроны?
3.Частицы создающие р-проводимость - …
4.Какой процесс называется диффузией?
5.Схемотически изобразить структуру р-n-переход.
3. Основной этап.
Новый материал
Вентильные (выпрямительные) диоды предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное напряжение (ток) (под запись). Для выпрямительных диодов основное свойство - односторонняя проводимость p-n-перехода. Будучи включен в цепь переменного напряжения диод пропускает ток в нагрузку только в одном направлении (выпрямляет график временной зависимости тока). С помощью дополнительных реактивных элементов удается однонаправленный пульсирующий ток превратить в почти постоянный. Конструктивно одиночные диоды представляют собой пластиковый корпус с выводами, внутри которого находится полупроводниковый кристалл. На рисунке показан один из видов корпусных выпрямительных диодов и условное обозначение таких диодов на электрических схемах. Обозначение содержит треугольную стрелку, показывающую направления пропускания тока диодом.
Светодиод - это полупроводниковый прибор, генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое излучение,. Физической основой действия светодиодов является рекомбинация свободных электронов и дырок, сопровождающая прямой ток через p-n-переход (под запись). Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями.
Лазерный диод -- лазер, в котором активной средой является возбуждаемый объем полупроводника, а рабочей областью --p-n переход, аналогичный p-n переходу обычного светодиода (под запись). В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. В верхнем слое кристалла создают n-область, а в нижнем слое - p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.
Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже на нескольких длинах волн. Такой диод называется многомодовым (англ. "multi-mode"). Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается или необходимо его значительное рассеивание). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных прицелах, а также в оптоволоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть могут излучать на разных длинах волн одновременно.
Фотоэлемент -- электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию(под запись). Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны. Энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
Солнечная батарея -- один из генераторов альтернативных видов энергии, превращающих солнечное электромагнитное излучение в электричество (под запись). Производство солнечных батарей развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечные батареи очень широко используются в тропических и субтропических регионах с большим количеством солнечных дней. Особенно популярны в странах Средиземноморья, где их помещают на крыши жилых зданий для нагрева воды, получения электричества. В перспективе они, вероятно, будут применяться для подзарядки электромобилей.
Виды:
1.Фотоэлектрические преобразователи -- полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество (Солнечные элементы). Несколько объединённых СЭ называются солнечной батареей.
2.Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).
3.Солнечные коллекторы (СК) - солнечные нагревательные низкотемпературные установки.
4.Органические батареи - устройства преобразующее солнечные лучи в электричество с помощью генетически модифицированных клеток, напечатанных на тонком пластике с проводником.
Закрепление материала.
Давайте рассмотрим некоторые типы задач встречаемые в этой теме.
Задача 1. Максимальная напряженность Emax электрического поля в зоне p-n-перехода равна 104 В/м. Ширина p-n-перехода D=10-4м. Определите изменение потенциала при переходе из р-типа в n-тип полупроводника.
Решение: Изменение потенциала
Дц=<E>·D,
где <E>= Emax/2-среднее значение напряженности электрического поля в зоне p-n-перехода. Тогда
Дц= Emax/2=104/2·10-4=0,5В.
Задача2.Какую энергию приобретает электрон, прошедший через разность потенциалов Дц=0,5В? Считать, что в этом случае электрон не сталкивается с ионами решетки.
Решение: изменение энергии происходит за счет работы сил электрического поля
А=q<E>·D=q DEmax/2=q· Дц,
A=1э·0,5В=0,5эВ.
Домашнее задание: повторить пройденный материал. Класс разбивается на группы по 3-4 человека и каждая группа готовит реферат об одном из приборов.
Демонстрация действия полупроводникового фотоэлемента
Установку собирают по рисунку. Фотоэлемент подключают к гальванометру с соблюдением полярности. Электрическую лампу располагают на расстоянии 1м от фотоэлемента. При дневном освещении гальванометр обнаруживает определенную силу тока. Если включить электрическую лампу, то сила тока гальванометра возрастет. С уменьшением расстояния между лампой и фотоэлементом сила тока увеличивается.
Заключение
Предпринятые в настоящей работе попытки отбора материала для изучения полупроводников в школьном курсе физики и создания методики изучения, конечно, не идеальны по подходам и результатам. Однако автор убеждена, что нечто подобное вскоре будет внедряться в школьную практику. Можно некоторое время не замечать факта коренного изменения электротехники и других областей деятельности человека, вносимого полупроводниковой электроникой, но не зависеть от него невозможно. Это обстоятельство рано или поздно должно найти отражение в учебных программах по физике. Может быть, тогда и пригодятся результаты данной работы и затраченные на нее усилия.
Литература
1. Учебные программы для общеобразовательных учреждений.
Физика vi--xi классы.- Минск,2008
2. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. - М., 1967
3. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.,1990
4. Росадо Л. (перевод с исп.С.И. Баскакова под ред. В.А.Терехова.) Физическая электроника и микроэлектроника. - М. "Высшая школа" 1991
5. Булычев А.Л., Прохоренко В.А. Электронные приборы. Минск, 1987
6. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.,: Физика 10 кл., Просвещение, М. 1990
7. Шур М., - Физика полупроводниковых приборов. В 2-х книгах. - М., Мир, 1992.
8. Рагозин Ю.Д. и др. Основы применения электронных приборов. М., 1975
9. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев: "Физика 10 кл.", Просвещение, М. 1990.
Приложение
Прогресс радиоэлектроники связан с успехами фундаментальной науки.
Полупроводниковый диод был известен давно, чуть ли не в начале века, а транзистор, появился в 1948 году, за его создание группа американских физиков - У. Шокпи, У. Браттейн и Д. Бардин - была Удостоена Нобелевской премии. Но вот что интересно за много лет до этого, в 1922 году радиолюбитель из города на Волге - из Нижнего Новгорода девятнадцатилетний Олег Лосев создал первый в мире полупроводниковый усилитель, построил на его основе приемник и назвал его кристадин, от слова "кристалл". Причем это не было незамеченное или забытое потом изобретение - о кристадинах Лосева писала вся мировая радиотехническая печать, американские радиоинженеры в своем журнале назвали кристадин устройством, которое может совершить переворот в радиоэлектронике, вытеснить вакуумную усилительную лампу. Такой переворот действительно произошел, но ждать его пришлось почти четверть века. Потому, что во времена кристадина физика еще не построила фундамент, на котором потом выросла полупроводниковая электроника. Только глубокие исследования физических процессов в твердом теле позволили в деталях понять, что же происходите полупроводниках, и только на основе этого понимания развилась вся современная техника полупроводниковых приборов и интегральных схем
А вот еще один интересный пример. В 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал индуцированное излучение атомов и молекул, то есть вызванное внешней причиной, а конкретно - внешней электромагнитной волной. Но понадобилось почти сорок лет, чтобы это предсказание, соединившись с глубоким изучением механизмов перехода атомов с одного энергетического уровня на другой, то есть механизмов изменения запасов энергии атома, привело к рождению совершенно новой области науки и техники - квантовой электроники. Когда атом или молекула переходят на более низкий энергетический уровень, то они отдают высвободившуюся энергию в виде кванта, порции электромагнитного излучения. При этом если выделяется большая порция энергии, то частота излучения высокая (малая длина волны) - излучается свет, ультрафиолетовые или еще более коротковолновые рентгеновские лучи. А если порция энергии невелика, если молекула выбрасывает слабый квант, то частота излучения сравнительно низкая (большая длина волны) - молекула испускает инфракрасные лучи, миллиметровые или даже сантиметровые радиоволны. Можно извне подпитывать атомы излучающего вещества, накачивать их энергией, например, пропуская через это вещество ток или освещая его мощной лампой. Можно ввести в систему достаточно сильную положительную обратную связь, грубо говоря, сделать так, чтобы излучение одних атомов возвращалось в излучающее вещество, заставляло излучать другие атомы. Такое индуцированное излучение и накачка энергией приведут к возникновению квантового генератора - атомы вещества будут согласованно излучать электромагнитные волны, причем одной, строго определенной частоты, она определится конкретным переходом излучающих атомов (молекул) с одного энергетического уровня на другой. Первые квантовые генераторы были созданы советскими физиками, ныне академиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и независимо американцем Ч. Таунсом - все они за эту работу отмечены Нобелевской премией. Первенцем в семействе приборов квантовой электроники был мазер (в этом сокращении буква "м" от слова "микроволны" - первый квантовый генератор работал в диапазоне сантиметровых радиоволн), а через несколько лет появились и оптические квантовые генераторы-лазеры (буква "л" от английского "лайт" - "свет"). К созданию реальных квантовых генераторов ученые пришли через глубокое изучение процессов взаимодействия излучения с веществом - они занимались радиолокацией, а затем радиоспектроскопией, исследованием состава вещества по частоте излучения его атомов и молекул.
Что должны продемонстрировать эти два примера человеку, начинающему свой путь в практическую электронику? Прежде всего, то, что он приобщается не просто к интересной области технического любительства, а к области, вобравшей в себя многие замечательные достижения фундаментальной науки. Это должно радовать и предостерегать - в нынешней электронике трудно, видимо, случайно сделать что-то новое и интересное. В этой области творчески может работать только очень грамотный человек, глубоко понимающий существо дела.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Психолого-педагогические и методические основы изучения в школе теории комплексных чисел. Методическое обеспечение изучения этой темы в 10 классе общеобразовательной школы. Обзор учебников по алгебре и началам математического анализа для 10-11 классов.
дипломная работа [3,5 M], добавлен 26.12.2011Психолого-педагогические основы изучения тригонометрического материала в школе. Разработка системы упражнений по теме "Тригонометрические уравнения". Методические рекомендации по решению задач, проведению уроков, контрольных и проверочных работ.
дипломная работа [371,9 K], добавлен 16.03.2012Психолого-педагогические аспекты реализации принципа наглядности при изучении математики в средней школе. Методические основы изучения темы "Свойства степенной функции" в школе. Основные характеристики и методические рекомендации к использованию пособия.
дипломная работа [3,7 M], добавлен 16.06.2011Методика преподавания темы "Непредельные углеводороды" в школьном курсе химии: определение целей и задач урока, разработка плана проведения занятия. Ознакомление с основными способами получения этилена, демонстрация их на уроках химии в средней школе.
курсовая работа [610,1 K], добавлен 07.09.2011Лягушка — обитатель воды и суши. Ее образ жизни, внешнее и внутреннее строение. Методика преподавания темы "Класс земноводные" в школе. Разработка уроков по данной теме. Игра "Зоологический калейдоскоп" по теме "Земноводные", составление кроссвордов.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 29.05.2010Психолого-педагогический аспект и общие методические рекомендации к изучению темы "Геометрические построения циркулем и линейкой". Планы уроков, методические комментарии, факультативные занятия к изучению простейших задач на построение (в 7 классе).
дипломная работа [1,1 M], добавлен 03.07.2011Наречие как часть речи. Наречие в системе изучения русского языка в современной начальной школе. Морфологические признаки наречия. Сравнительный анализ современных учебников русского языка для начальной школы. Структура уроков по теме "Наречие".
дипломная работа [1,8 M], добавлен 25.09.2017Психолого-педагогические основы изучения вопросов культуры в школьном курсе истории. Методические приемы изучения культуры в школе. Вопросы культуры в курсе истории Древнего мира: практический аспект. Фрагменты уроков по изучению культуры в пятом классе.
курсовая работа [44,6 K], добавлен 30.03.2011Назначение и возможности текстовых редакторов и текстовых процессоров. Методика обучения обработке текстовой информации в Microsoft Word. Методические рекомендации по отбору материала. Диагностика уровня изучения текстовых процессоров в основной школе.
курсовая работа [37,6 K], добавлен 15.12.2009Изучение содержания учебных пособий, рекомендованных учащимся для изучения оптики. Составление пособия качественных задач для организации тренинга в их решении. Разработка примерного тематического плана изучения оптики в девятом и одиннадцатом классе.
дипломная работа [5,3 M], добавлен 16.06.2013
