Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

УСІ УРОКИ ФІЗИКИ 11 клас
АКАДЕМІЧНИЙ РІВЕНЬ

1-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

2. Електричний струм

УРОК 11/22

Тема. Електричний струм у напівпровідниках

 

Мета уроку: сформувати уявлення про вільні носії електричного заряду в напівпровідниках і про природу електричного струму в напівпровідниках.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань

5 хв.

1. Механізм провідності газів.

2. Який розряд у газах називають несамостійним? самостійним?

3. Типи самостійного розряду.

Демонстрації

5 хв.

Фрагменти відеофільму «Струм у напівпровідниках».

Вивчення нового матеріалу

27 хв.

1. Що таке напівпровідники?

2. Механізм власної провідності напівпровідників.

3. Вплив домішок на провідність напівпровідників.

4. Електронно-дірковий перехід.

Закріплення вивченого матеріалу

8 хв.

1. Якісні питання.

2. Навчаємося розв’язувати задачі.

 

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Що таке напівпровідники

Напівпровідники, як це випливає з їхньої назви, за своєю провідністю займають проміжне положення між провідниками й діелектриками. Якщо значення питомого електричного опору приблизно дорівнює 10-8 Ом · м , діелектриків — 1012 - 1020 Oм · м, то напівпровідників — 10-8 - 107 Oм · м.

Під час вивчення залежності провідності напівпровідників від зовнішніх факторів з’ясувалося, що ця залежність у напівпровідників значно відрізняється від тієї, що спостерігалася в металах.

По-перше, після підвищення температури питомий опір напівпровідників зменшується, а питомий опір металів, навпаки, збільшується.

По-друге, питомий опір деяких напівпровідників зменшується відповідно до збільшення освітленості.

По-третє, уведення домішок може різко зменшити питомий опір напівпровідників.

2. Механізм власної провідності напівпровідників

Зв’язок електронів зі своїми атомами в напівпровідниках не такий міцний, як у діелектриках. І в разі підвищення температури, а так само під час яскравого освітлення деякі електрони відриваються від своїх атомів і стають вільними зарядами, тобто можуть переміщатися в усьому зразку.

Завдяки цьому в напівпровідниках з’являються негативні носії заряду — вільні електрони.

Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною провідністю, а вільні електрони — електронами провідності.

Коли електрон відривається від атома, позитивний заряд цього атома стає некомпенсованим, тобто в цьому місці з’являється зайвий позитивний заряд. Цей позитивний заряд називають «діркою». Атом, поблизу якого утворилася дірка, може відібрати зв’язаний електрон у сусіднього атома, при цьому дірка переміститься до сусіднього атома, а той атом, у свою чергу, може «передати» дірку далі. Таке «естафетне» переміщення зв’язаних електронів можна розглядати як переміщення дірок, тобто позитивних зарядів.

Провідність напівпровідника, обумовлену рухом дірок, називають дірковою провідністю.

Таким чином, відмінність діркової провідності від електронної полягає в тому, що електронна провідність обумовлена переміщенням у напівпровідниках вільних електронів, а діркова — переміщенням зв’язаних електронів.

У чистому напівпровіднику (без домішок) електричний струм створює однакову кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідників.

3. Вплив домішок на провідність напівпровідників

Якщо в чистий напівпровідник додати незначної кількості домішки, то механізм провідності різко зміниться. Цю зміну легко

спостерігати на прикладі кремнію (Si) із незначною кількістю домішки миш’яку (As). У новому кристалі частина атомів Силіцію буде заміщуватися атомами Арсену. Арсен, як відомо, п’ятивалентний елемент. Чотири валентні електрони атоми миш’яку утворюють парні електронні зв’язки із сусідніми атомами Силіцію. П’ятому ж валентному електрону пари не вистачає, і оскільки він слабко пов’язаний з атомами миш’яку, то легко стає вільним. У результаті значна кількість атомів домішки дає вільні електрони. Необхідно відзначити, що домішки типу миш’яку додають у кристал тільки електрони, а вакантні місця (дірки) при цьому не утворюються.

Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними.

Основними носіями зарядів у напівпровідників з донорними домішками є негативні частинки. Тому такі напівпровідники називають напівпровідниками n-типу.

Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу.

Якщо в кремній додати незначну кількість тривалентного індію, то характер провідності напівпровідника зміниться. Оскільки Індій має три валентних електрони, то він може встановити ковалентний зв’язок тільки із трьома сусідніми атомами. Для встановлення зв’язку із четвертим атомом електрона не вистачить. Індій «позичить» електрон у сусідніх атомів, у результаті чого кожний атом Індію утворить одне вакантне місце — дірку.

Домішки, які «захоплюють» електрони атомів кристалічної решітки напівпровідників, називаються акцепторними.

У випадку акцепторної домішки основними носіями заряду під час проходження електричного струму через напівпровідник є дірки.

Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками p -типу.

Практично всі напівпровідники містять донорні й акцепторні домішки. Тип провідності напівпровідника визначає домішка з вищою концентрацією носіїв заряду — електронів і дірок.

4. Електронно-дірковий перехід

Серед фізичних властивостей, властивих напівпровідникам, найбільшого застосування одержали властивості контактів (p-n-переходу) між напівпровідниками з різними типами провідності.

У напівпровіднику n-типу електрони беруть участь у тепловому русі й дифундують через границю в напівпровідника p-типу, де їхня концентрація значно менше. Точно так само дірки дифундуватимуть з напівпровідника p-типу в напівпровідника n-типу. Це відбувається подібно до того, як атоми розчиненої речовини дифундують із міцного розчину в слабкий у разі їх зіткнення.

У результаті дифузії у приконтактній ділянці основних носіїв заряду меншає: у напівпровіднику n-типу зменшується концентрація електронів, а в напівпровіднику p-типу — концентрація дірок. Тому опір приконтактної ділянки виявляється дуже значним.

Якщо тепер напівпровідник приєднати до джерела струму так, щоб його електронна область з’єднувалася з негативним полюсом джерела, а діркова — з позитивним, то електричне поле, створене джерелом струму, буде спрямовано так, що воно переміщуватиме основні носії струму в кожній області напівпровідника до p-n -переходу. Приконтактна ділянка буде збагачуватися основними носіями струму, і її опір зменшиться. Через контакт проходитиме помітний струм. Напрямок струму в цьому випадку називають пропускним, або прямим.

Якщо ж приєднати напівпровідник n-типу до позитивного, а p-типу до негативного полюса джерела, то приконтактна зона розширюється. Опір ділянки значно збільшується. Струм через перехідний шар буде дуже незначний. Це напрямок струму називають замикаючим, або зворотним.

Електронно-дірковий перехід має практично однобічну провідність: він пропускає помітний струм від p - до n-області й дуже маленький струм у зворотному напрямку.

Отже, через межу розділу напівпровідників n-типу й p-типу електричний струм іде тільки в одному напрямку — від напівпровідника p-типу до напівпровідника n -типу.

 

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Які речовини можна віднести до напівпровідникових?

2. Рухом яких заряджених частинок створюється струм у напівпровідниках?

3. Чому опір напівпровідників дуже сильно залежить від наявності домішок?

4. Чому вільні носії зарядів не можуть утримуватися в області p-n-переходу?

Другий рівень

1. Вимірюючи електричний опір за дуже низької температури складно відрізнити напівпровідник від діелектрика. Чому ж властивості цих матеріалів відрізняються за кімнатної температурі?

2. Який зв’язок називають ковалентним?

3. Чи можна одержати p-n-перехід, вплавляючи олово в германій або в кремній?

4. Як можна змінювати тип носіїв у напівпровіднику?

 

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Чому вимоги до чистоти напівпровідникових матеріалів дуже високі (у ряді випадків не допускається наявність навіть одного атома домішки на мільйон атомів)?

2. Після введення в германій домішки миш’яку концентрація електронів провідності збільшилася. Як змінилася при цьому концентрація дірок?

3. Яку провідність (електронну або діркову) має кремній з домішкою галію? індію? фосфору? сурми?

2). Навчаємося розв'язувати задачі

1. Як зміниться опір зразка кремнію з домішкою фосфору, якщо ввести в нього домішку галію? Концентрація атомів Фосфору й Галію однакова.

2. Мізерно малі кількості домішок, доданих до напівпровідника, можуть різко змінити його електропровідність. Чому навіть у багато разів більші кількості домішок не роблять помітного впливу на електропровідність металів.

3. Що треба зробити, щоб електропровідність германія й кремнію стала такою самою, як електропровідність металу (діелектрика)? Чи збережуться при цьому їхні напівпровідникові властивості?

 

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

•  Напівпровідники мають набагато менший електричний опір, ніж діелектрики, але набагато більший, ніж провідники.

•  Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною провідністю, а вільні електрони — електронами провідності.

•  Провідність напівпровідника, обумовлену рухом дірок, називають дірковою.

•  Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними.

•  Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу.

•  Домішки, які «захоплюють» електрони атомів кристалічної решітки напівпровідників, називаються акцепторними.

•  Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками p-типу.

•  Електронно-дірковий перехід має практично однобічну провідність: він пропускає помітний струм від p - до n-області й дуже маленький струм у зворотному напрямку.

 

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 16 (п. 1, 2, 3, 4); підр-2: § 8 (п. 1, 2, 3).

2. Зб.:

Рів1 № 6.1; 6.2; 6.3; 6.7.

Рів2 № 6.24; 6.25; 6.26, 6.27.









загрузка...

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами. Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посилання на сайт, будьте вдячними ми затратили багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2008-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.