Міністерство освіти та науки України Тернопільський національний педагогічний університет ім. В.Гнатюка

Кафедра фізики та методики її викладання

Кваліфікаційна робота Науково-методичний аналіз теми «Електропровідність напівпровідників. Власна і домішкова провідність напівпровідників. Напівпровідниковий діод. Застосування напівпровідникових приладів».

Виконала:

студентка 4 курсу Фізико-математичного факультету Групи Ф-41,

Шевчук Т.

Перевірив:

Мацюк В.М.

Тернопіль, 2010

Зміст

1. Роль, місце і значення теми в шкільному курсі фізики. Мета і завдання вивчення теми З

2. Зміст і структура теми 5

3. Особливості вивчення теми 12

4. Задачі при вивченні теми 19

5. Інтерактивні методи при вивченні теми 22

6. Методичні рекомендації щодо введення основних понять теми 27

7. Плани-конспекти уроків.

   1. Тема №1. Електропровідність напівпровідників. Власна ті домішкова провідність напівпровідників 32

   2. Тема №3. Застосування напівпровідникових приладів. Лабораторна робота «Дослідження електричного кола з напівпровідниковим діодом» ! 37

8. Висновки 42

9. Список використаної літератури 43

Додаток. Диск із програмою «Віртуальна фізична лабораторія 10-11 клас».

2

1. Роль, місце і значення теми в шкільному курсі фізики. Мета і завдання вивчення теми.

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.

з

• 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. [2, 59]

4

2. 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.

5

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

Чотири валентних електрона кожного атома , _ч

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.

6

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.

8

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. р_{ис 5}

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

9

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

10

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]

11