Урок по физике Полупроводники

Разработка урока

Предмет: Физика

Преподаватель: Лобачева Ф.С.

Тема программы: Электрический ток в различных средах

Тема урока: Электрический ток в полупроводниках

Тип урока: урок усвоения новых знаний и умений

Цели урока:

Образовательные:

• Сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках и о природе электрического тока в чистых полупроводниках с точки зрения электронной теории

• Формировать умение работать с программами Microsoft Office.

Развивающие:

• Развивать навыки использования информационных технологий и различных источников информации для решения познавательных задач.

• Стимулировать развитие мышления и познавательного интереса к дисциплине

Воспитательные:

• Формировать чувство взаимопомощи, ответственности каждого за конечные результаты работы.

• Формировать дисциплинированность, собранность.

Оборудование:

• Персональный компьютер,

• Компьютерная презентация

• Рабочая тетрадь обучающегося.

Демонстрация: зависимость сопротивления полупроводника от температуры (от освещенности)

Ход урока

1. Орг. момент

Вступительное слово преподавателя. Сообщение учебных задач. Предлагается план и виды учебной деятельности.

II. Изучение нового материала

Демонстрация презентации «Полупроводники. Полупроводниковые приборы» (слайды №1-11 «Первоначаль­ные сведения о полупроводниках» и «Собственная проводимость полупро­водников»). Показ полупроводниковых диодов и транзисторов.(Набор полупроводниковых приборов)

(Слайды 3-5). Все твердые вещества по своим электрическим свойствам разделяются на следующие группы:

Полупроводники

Диэлектрики

Хорошо проводят электрический ток

Проводят электрический ток при определенных условиях

Не проводят электрический ток ни при каких условиях

Ag, Cu, Ni, Pt, Hg, Fe и др. металлы

Be, Se, ZnO, Cu₂O, Si, Ge, IV группа таблицы Менделеева, соединения IV и V групп таблицы Менделеева

Кварц, слюда, парафин, фарфор, янтарь, сера, масла, каучук, стекло, эбонит, керамика и др.

р = 10^-5 : 10^-8 Ом • м

р = 10⁴ : 10^-5 Ом • м

р = 10¹⁰ : 10¹⁶ Ом • м

Условия, при которых полупроводники начинают проводить электрический ток:

• повышение температуры;

• приложение электрического поля (напряжения);

• освещение

У полупроводников двойственная природа носителей заряда: электронно-дырочная. Собственная проводимость - когда в полупроводнике число свободных электронов и дырок одинаково.

Основные сведения.

1. Первоначальные сведения о полупроводниках, их месте в таблице Менделеева .

Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками. К группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и диэлектриков, взятых вместе . К полупроводникам относится (составляющих примерно 4/5 объема Земной коры) ряд элементов (теллур, германий, кремний, бор, селен и т.д.), большинство минералов, различные окислы, сульфиды, и другие химические соединения.)

К полупроводникам, нашедшим практическое применение в технике, относятся германий, кремний, селен, закись меди и некоторые другие вещества. Но для полупроводниковых приборов используют в основном только германий и кремний. Каковы наиболее характерные свойства полупроводников, отличающие их от проводников и непроводников тока?

2. Свойства полупроводников.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводимыми, т. е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. У металлов наблюдается более слабая зависимость сопротивления от температуры. Рассмотрим слайды (10 и 35 ) и сравним два графика: зависимость сопротивления металлов от температуры и подобный график для полупроводников.

Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается. Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается. Эти и некоторые другие свойства полупроводников были известны сравнительно давно, однако широко использовать их стали сравнительно недавно.

3. Структура полупроводниковых кристаллов. (Слайд 6)

Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество. Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 1, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики - валентные электроны. Каждый атом, как видишь, окружен четырьмя точно такими же атомами. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь! В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», поскольку они стали общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на слайде 6.

4. Механизм собственной проводимости полупроводников (электрон­но-дырочная проводимость). (Слайд 7-10)

При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. Если повышения температуры нет, связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным, а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой. Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному заряду электрона. (Слайд 7)

А теперь рассмотрим слайд 8 - 9 . На нем схематично изображено явление возникновения тока в полупроводнике. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полупроводнику (на слайде источник напряжения символизируют знаки « + » и « - »). Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов. Электроны, освобождавшиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушедшие из межатомных связей на некотором удалении от положительного полюса, тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них, происходит заполнение некоторых межатомных связей. А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу. Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи - из них уходят валентные электроны, возникают дырки - и заполняются другие межатомные связи - в дырки «впрыгивают» электроны, освободившиеся из каких - то других межатомных связей.

При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки даже тогда, когда нет внешних электрических полей. Но электроны и дырки движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника. В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Общее же их число при комнатной температуре относительно невелико. Поэтому электропроводность такого полупроводника, (называемая собственной), мала. Иными словами, такой полупроводник оказывает электрическому току довольно большое сопротивление. (Слайд 10)

III. Закрепление знаний

Осмысление нового материала, выполнение тренировочных заданий.

Работа с опорным конспектом.

IY. Итоги урока.(Рефлексия)

V. Домашнее задание. Учебник «Физика-10» Г.Я. Мякишев, параграф

115.

Опорный конспект

по теме:

Ток в полупроводниках

1)Отличие полупроводников от металлов

А) разное удельное сопротивление

Б) разный характер зависимости R(t⁰)

__________________________ _________________________

2) Собственная проводимость полупроводников

Проводимость осуществляется _______________ и

___________________ .

ВОПРОСЫ:

1. Даны тела и вещества: сахарный сироп, человек, пластмасса, сера, фосфор, дистиллированная вода, кремний, медь, стекло, мышьяк, эбонит, резина, германий, дерево, железо, золото. Рассортируйте их по столбцам таблицы в соответствии со способностью проводить электрический заряд.

Проводники

Полупроводники

Диэлектрики

2. Какие вещества называются полупроводниками?_________

_____________________________________________________ .

3. Какую связь называют ковалентной? _____________________ .

4. Какие заряженные частицы создают ток в полупроводниках? ___________________________________________________________ .

5. Как изменяется удельное электрическое сопротивление полупро­водников при нагревании? ________________________________________________ __________________________________________________ .

6. Что произойдет при встрече электрона с дыркой? _________________________ .

Почему с повышением температуры в полупроводниках их сопро­тивление уменьшается? _____________________________________________________ _____________________________________________________________ .

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

8.Какие приборы изображены на рисунке? ____________________

9. Какое положение занимают полупроводники по электрическим свойствам между проводниками и диэлектриками?____________________