STEM-урок на тему: «Електроповідність напівпровідників та її види. Напівпровідникові прилади та їх застосування.»

STEM-урок на тему:

«Електроповідність напівпровідників та її види. Напівпровідникові прилади та їх застосування.»

Тип уроку: бінарний (2 по 45 хв).

Тема:  «Застосування напівпровідників в різних приладах»

Мета:

S (наука) фізика: розкрити поняття «електропровідності напівпровідників» , поглибити знання учнів про будову напівпровідників, про власну і домішкову провідність, вивчити їх види.

T  (технологія): формування навички самостійної дослідницької діяльності та розвивати дослідницький інтерес через симуляції, анімації з фізики; розвивати навики використання мобільних додатків.

E (інженерія): виготовити «вічну свічку».

A (гуманітарні науки): з’ясувати історію дослідження напівпровідників.

M (математика): вдосконалювати навики розв’язування задач.

Обладнання: роздатковий матеріал, мультимедійна презентація, симуляція та анімації з фізики, 2 батарейки, коробка сірників, копійка, світлодіод, термістор, омічний резистор, джерело живлення, гальванометр, реостат, сухий спирт, з’єднувальні провідники, вимикач.

Хід уроку

І. Організація учнів до заняття. Викладач перевіряє підготовку учнів  до заняття, сприяє організації уваги.

II. Актуалізація опорних знань. Постановка проблемного питання.

1. Бесіда

Відомо, що наука не стоїть на місті. Великий прорив в техніці забезпечило відкриття напівпровідників та з’ясування їх властивостей.

Ми вже знаємо, як виглядають лампи розжарювання. Приблизно таких же розмірів є вакуумні лампи – діоди та тріоди. Уявимо собі, яких були б розмірів наші смартфони, якби у ньому мікросхема процесора, замість транзисторів містила тріоди. Він би сягав розмірів будинку.

ІІІ. Визначення теми й мети уроку.

IV. Зіткнення учнів з проблемою й висловлення первинних гіпотез.

Що ж таке напівпровідник?

(демонстрація напівпровідникових діодів)

Напівпровідники – це речовини, питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури, питомий опір зменшується зі збільшенням освітленості, та різко зменшується при введенні домішки.

Саме через ці властивості напівпровідники так широко використовують.

З’ясуємо механізм виникнення провідності напівпровідників.

Для цього пригадаємо з уроку хімії, що таке валентність і розглянемо будову напівпровідникових кристалів і природу зв’язку, що утримує атоми кристала один навколо одного.

Для прикладу розглянемо кристал силіцію. Силіцій – чотири-валентний елемент. Тому на зовнішній оболонці міститься чотири електрони, що доволі слабко пов’язані з ядром. Кількість найближчих сусідів кожного атома силіцію теж чотири.

У чистих напівпровідниках між атомами діє ковалентний зв’язок. Кожен атом обмінюється валентними електронами з чотирма сусідами. При теплових співударах атомів якийсь із електронів, отримавши порцію енергії, може покинути зв’язок з атомом. В результаті утворюється вільний електрон. Відсутній міжатомний зв’язок – «дірка», що еквівалентна позитивному заряду.  Тому у чистих напівпровідниках  носіями заряду є електрони і дірки в рівній кількості. Із зростанням температури кількість вільних електронів та дірок зростає. І таку електронно-діркову провідність у чистому провіднику називають власною.

(Розгянути анімації

https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=pol_pohyb_der&l=ua )

Домішкова провідність напівпровідників

За наявності в напівпровідниковому матеріалі невеликого відсотка п’ятивалентної домішки (наприклад Арсену), кожен атом домішки оточений атомами основного напівпровідника. При отриманні невеликої порції енергії електрон домішки залишає свій атом  і стає вільним, а домішковий атом стає позитивним йоном, що залишається у вузлі кристалічної гратки.  Так отримують напівпровідник з переважаючою електронною провідністю.

 Така домішка називається донором, а напівпровідник – домішковим напівпровідник n-типу.

(Розгянути анімації            

https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=pol_polovodice&l=ua , https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=pol_kremik&l=ua   )

За наявності а напівпровіднику тривалентної домішки (наприклад Індію) атом домішки захоплює в атома основного напівпровідника валентний електрон, чим поповнює недостатній ковалентний зв’язок. При чому він стає негативним йоном, що залишається у вузлі кристалічної гратки. Тоді в основному напівпровіднику утворюється рухома дірка.

Така домішка має назву акцепторної, а напівпровідник – домішковий напівпровідник р-типу.

V. Робота над гіпотезами, висловленими учнями. Учні збирають та аналізують дані, необхідні для розв'язання проблеми. Викладач виступає в ролі тьютора/фасилітатора, спонукає здобувачів освіти до висунення ідей заохочувальними словами, підказками, надає диференційну допомогу .

1. Робота в групах за науковим напрямком.

Дізнаємося що таке p-n-перехід та де їх застосовують

 На сьогоднішній день напівпровідники широко застосовують у різних приладах, поєднують напівпровідники різних типів. Давайте з’ясуємо історію дослідження напівпровідників, де і як їх застосовують.

(Група учнів опрацьовує інформаційні картки та інтернет ресурси,  вивчаючи історію дослідження напівпровідників)

Початок наукового вивчення напівпровідників, матеріалів, електропровідність яких має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика, поклали німець Томас Зеєбек і англієць Майкл Фарадей у першій половині XIX століття, які відкрили їх нетипову поведінку при нагріванні. Пристрої на основі напівпровідників створювались емпірично і найвідомішими з них стали приймач з кристалічного селену, з допомогою якого у 1880 році американець Грехем Белл здійснив передачу першого безпровідного телефонного повідомлення, та перша працююча сонячна батарея американця Чарльза Фріттса, створена у 1883 році також на основі селену.

На початку XX століття напівпровідники почали використовуватись при створенні детекторів для радіопристроїв, електричних випрямлячів струму та датчиків інфрачервоного випромінювання. У 1925 році канадець Джуліус Лілієнфельд подав заявку на патент під назвою «Метод і прилад для управління електричними струмами», в якому описав підсилювач струму у вигляді металічної та напівпровідникової пластинок, розділених шаром діелектрика, управління яким здійснювалось через вплив електричного поля на провідні властивості напівпровідника. Однак Лілієнфельду так і не вдалось виготовити діючий зразок цього пристрою і його ідея пристрою, вже значно пізніше названого польовим транзистором, була забута на кілька десятиліть.

Невдовзі після завершення Другої світової війни американська компанія «AT&T Bell Laboratories» зібрала у штаті Нью-Джерсі групу спеціалістів для створення твердотільного пристрою, який би замінив крихкі вакуумні лампи-тріоди зі скла. Очолив її 35-літній фахівець у галузі фізики твердого тіла Вільям Шоклі, який запропонував використовувати вплив зовнішнього електричного поля на провідні властивості напівпровідників. Проте тривалі експерименти не принесли успіху. Пояснення невдачам дав фізик-теоретик Джон Бардін, котрий в опублікованій взимку 1946 року науковій праці висунув ідею про існування т. зв «поверхневих станів» — центрів локалізації заряду при електризації тіла, які запобігають проникненню електричного поля вглиб напівпровідника.

У липні 1945 року міністерство оборони США замовило Вільяму Шоклі звіт про імовірні людські жертви в разі прямого військового зіткнення на території Японських островів. За його висновками, зробленими на підставі аналізу бойових втрат Японії в битвах за попередні 10 років, загинуло б від 2 до 4 мільйонів американців і від 5 до 10 мільйонів японців. Звіт Шоклі став вагомим аргументом, коли керівництво США прийняло рішення відмовитись від прямої інтервенції на користь атомного бомбардування Японії

Експерименти, проведені його колегою Волтером Браттейном, дозволили підтвердити гіпотезу Бардіна, котрий разом із Шоклі провів теоретичні розрахунки щільності поверхневих станів. Вони дали поштовх для подальших експериментів — для підсилення електричного сигналу слід було помістити вхідний і вихідний точкові контакти якомога ближче один до одного на поверхні напівпровідникового кристала, а третій контакт використати для «вприскування» електронів між ними.

Відповідний пристрій був створений Браттейном після тривалих експериментів з розмірами і формами електродів, напругами та частотою струму — 16 грудня 1947 року він вперше зафіксував ефект підсилення, отримавши на виході сигнал більшим, ніж на вході. Через тиждень, ввечері 23 грудня, Браттейн продемострував напівпровідниковий підсилювач на основі кристалу германію із двома золотими контактами своїм колегам по групі і керівництву «Bell Laboratories». Сьогодні ця дата вважається днем винайдення транзистора (як 28 травня 1948 року було названо цей пристрій за пропозицією члена групи фізика Джона Пірса), про який широкій публіці було повідомлено 30 червня 1948 року.

Зліва направо — Джон Бардін (1908-1981), Вільям Шоклі (1910-1989) та Вільям Браттейн (1902-1987) у «Bell Laboratories», 1948 рік

Шоклі раніше інших оцінив абсолютно фантастичні перспективи транзисторного ефекту і, прагнучи присвоїти лаври першовідкривача, намагався одноосібно подати заявку на патент. Це викликало протести Бардіна і Браттейна, котрі вважали, що ідея, запропонована Шоклі на початку досліджень, не дала бажаного результату, і до успіху групи він не має жодного відношення. Примирити колег вдалось керівництву компанії, адвокати якої виявили патент Лілієнфельда 1925 року, де був описаний подібний пристрій, і запропонували запатентувати винахід під назвою «транзистор на точковому p-n переході».

Джон Бардін — єдина людина, що двічі була удостоєна Нобелівської премії в галузі фізики: в 1972 році він її отримав за мікроскопічну теорію надпровідності

Підтвердженням спільних зусиль Вільяма Шоклі, Джона Бардіна і Волтера Браттейна у їх революційному досягненні, стало вручення їм у 1956 році Нобелівської премії з фізики за «дослідження напівпровідників та виявлення транзисторного ефекту». Проте в цей час вони вже не працювали разом — після того як Шоклі таємно від колег у 1950 році розробив принципово інший тип твердотільного підсилювача, відомий нині як біполярний транзистор, працювати з ним відмовився Браттейн, а обурений Бардін взагалі залишив компанію. У подальшому ні перший, ні другий не працювали над удосконаленням транзистора, пристрою, який кардинально змінивши електроніку і комп'ютерну техніку, став одним з найважливішим винаходів XX століття.

У 1951 році Джон Бардін почав роботу в Університеті штату Іллінойс і через три роки під його керівництвом дисертацію захистив українець Нік Голоняк, який у 1962 році винайшов перший напівпровідниковий лазерний діод

Натомість Шоклі у 1956-у переїхав до Маунтін-В'ю, штат Каліфорнія, де заснував власну компанію, яка працювала над створенням напівпровідникових пристроїв з кремнію, що у подальшому дало назву цілому регіону, відомому нині як «Силіконова долина». Однак його на цьому шляху чекало фіаско — складний характер, параноїдальна недовірливість і нестерпні авторитарні методи управління привели до того, що вже через рік вісім провідних фізиків та інженерів залишили «Shockley Semiconductor Laboratory» і заснували спочатку власну компанію «Fairchild Semiconductor», а у подальшому — десятки інших компаній з мікроелектроніки, включаючи ведучі корпорації світу, як-то «Intel», «AMD» та «Zilog».

На даний момент вирішуються проблеми фізики напівпровідників гетроструктури в напівпровідниках, квантові ями і точки, заряди, спінові хвилі, мезоскопія.

 (Друга група опрацьовує інформаційні картки та інтернет ресурси,  вивчаючи як утворюється n-p-перехід)

Електронно-дірковий (n-p-перехід) – це ділянка контакту двох напівпровідників із різними типами провідності – дірковою та електронною.

Після того як відбувся контакт двох напівпровідників із різними типами провідності, відбувається процес дифузії електронів і дірок. Електрони проходять у напівпровідник р-типу, де деякі з них рекомбінують із дірками, а дірки проходять у напівпровідник n-типу, і деякі з них рекомбінують із вільними електронами.

В наслідок цих процесів у прилеглих до місця контакту ділянках напівпровідників зменшується концентрація вільних носіїв струму, а опір ділянки біля місця контакту суттєво збільшується, і прилегла до місця контакту n-ділянка набуває позитивного заряду, а прилегла до місця контакту p-ділянка набуває негативного заряду.

Так навколо місця контакту формується запірний запірний шар, який називають n-p-переходом, електричне поле якого перешкоджає подальшій дифузії дірок та електронів.

(Третя група опрацьовує інформаційні картки та інтернет ресурси,  вивчаючи питання: Де використовують напівпровідники?)

Напівпровідниковий діод. В одну поверхню кристалу напівпровідника вплавлюють домішку щоб створити р-n-nерехід. Так утворюють напівпровідниковий діод.

Стабілітрони. Стабілітрон — це теж діод, але призначений він не для випрямляння змінного струму, хоч і може виконувати таку функцію, а для стабілізації, тобто підтримки постійної напруги в колах живлення радіоелектронної апаратури.

Термо- і фоторезистори. Прилади, дія яких ґрунтується на використанні залежності опору напівпровідників від температури, дістали назву терморезисторів (або термісторів).

Транзистори. Термін «транзистор» утворений з двох англійських слів: transfer — перетворювач і resistor — опір. У спрощеному вигляді транзистор є пластиною напівпровідника з ділянками з різною електропровідністю. Існують польові й біполярні транзистори. Нині широкого поширення набули польові транзистори з ізольованим затвором, так звані МДН-транзистори (метал — діелектрик — напівпровідник) або МОН-транзистори (метал — окисел — напівпровідник).

Інтегральна мікросхема — мініатюрний мікроелектронний виріб, елементи якого нерозривно зв’язані конструктивно, технологічно та електрично. Виконує певні функції перетворення і складається зі щільно упакованих та електрично з’єднаних між собою елементів і компонентів, які є одним цілим за вимогами до випробувань та експлуатації (мал. 54).

Мал. 54. Мініатюрний дрон з мікрочіпом

Розрізняють напівпровідникові, плівкові гібридні інтегральні схеми, які за видом оброблювальної інформації поділяють на цифрові та аналогові, за складністю і якістю оцінки — на малі, середні, великі та надвеликі. Надвелика інтегральна схема (НВІС) — інтегральна мікросхема зі ступенем інтеграції понад 1000 елементів у кристалі. Одна така інтегральна схема містить в собі десятки тисяч транзисторів, і всі вони розміщуються на кристалі кремнію, меншому за ніготь людини.

Світлодіод (англ. LED - light-emitting diode) — напівпровідниковий пристрій, що випромінює світло, коли через нього проходить електричний струм. Як і звичайний напівпровідниковий діод, світлодіод має p-n-перехід. У разі пропускання електричного струму у прямому напрямку носії заряду — електрони та дірки — рекомбінують з випромінюванням світлових частинок — фотонів. Колір випромінюваного світла світлодіодів залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника.

Сонячна батарея — об'єднання фотоелектричних перетворювачів (фотоелементів) — напівпровідникових пристроїв, що прямо перетворюють сонячну енергію в постійний електричний струм

 (Четверта група опрацьовує інформаційні картки, QR-кодом та інтернет ресурси,  вивчаючи питання: що таке напівпровідниковий діод та чому він має однобічну провідність?)

Напівпровідниковий пристрій, у внутрішній будові якого сформований один p-n-перехід, називають напівпровідниковим діодом.

За QR-кодом завантажуємо підручник та опрацьовуємо необхідну інформацію на сторінці 47.

Будь-який напівпровідниковий діод складається з двох контактних напівпровідникових ділянок із різними типами провідності — електронною (n-ділянка) і дірковою (р-ділянка); до кожної ділянки приєднано виводи. Основна властивість напівпровідникового діода — пропускати електричний струм переважно в одному напрямку. З’ясуємо, чому р-n-перехід має однобічну провідність.

Пряме ввімкнення

                   Зворотне ввімкнення

Оскільки напівпровідникові діоди пропускають електричний струм переважно в одному напрямку, їх, як і лампові (вакуумні) діоди, використовують для випрямлення змінного струму. Напівпровідникові діоди мають низку переваг перед ламповими: вони мініатюрні, їх легше виготовити, а отже, вони дешевші; для їх роботи не потрібно витрачати енергію на нагрівання. Тому в сучасній радіоелектроніці використовують саме напівпровідникові діоди.

 (Розглянемо анімацію

https://www.vascak.cz/data/android/physicsatschool/template.php?s=pol_graetz&l=ua )

Проведення обговорення 5-10 хв для кожної групи

Експеримент І. (1 група учнів)

Дослідження напівпровідникового діода за допомогою симуляції: https://phet.colorado.edu/uk/simulations/semiconducto

1. Скласти електричне коло за схемою:
2. За допомогою потенціометра збільшуйте поступово напругу в колі і через кожні 0,05В записуйте дані в таблицю:

3. За даними таблиці побудуйте графік залежності I(U), зробіть висновки.

Експеримент ІІ. (2 група учнів)

У двох непрозорих коробках вміщено по одному резистору, клеми яких виведено назовні. Визначте, в якій з коробок міститься напівпровідниковий резистор. Обладнання: термістор, омічний резистор, джерело живлення, гальванометр, реостат, сухий спирт, з’єднувальні провідники, вимикач.

Практична робота.

Виготовлення «вічної свічки».

На тлі сьогоднішніх подій ми повинні готуватись до того, що може бути відімкнена електроенергія. Тому сьогодні ми виготовимо ліхтарик із підручних матеріалів, який назвали «вічна свічка». Складемо її з 2 батарейок, сірникової коробки, напівпровідникового світлодіода та копійки, що буде відігравати роль вимикача.

Розв’яжемо задачу

Електричне коло складається з п’яти однакових резисторів опором 2 Ом, двох ідеальних діодів та ідеального джерела струму (опори діодів і джерела струму дорівнюють нулю). Визначте загальний опір кола, відношення сили струму в колі до сили струму після зміни полярності підключення джерела струму.

VI. Загальний висновок. Учні  за допомогою викладача або самостійно формулюють висновки щодо проблемного питання, запропонованого на початку заняття (побудова структурно-логічних схем, скайбінгів, кластерів, спілкування «питання-відповідь»).

VII. Домашнє завдання

Фізика: підруч. Для 11 кл. закл. загал. серед. Освіти/ [Бар’яхтар В.Г., Довгий С.О., Божинова Ф.Я., Кірюхіна О.О.]; за ред. Бар’яхтар В.Г., Довгого С.О. – Харків: Вид-во «Ранок», 2019. – 272с.

Вивчити параграф 9. Вправа 9 (4)

VIII. Оцінювання роботи груп та окремих учнів.

Перелік посилань

1. Фізика: підруч. Для 11 кл. закл. загал. серед. Освіти/ [Бар’яхтар В.Г., Довгий С.О., Божинова Ф.Я., Кірюхіна О.О.]; за ред. Бар’яхтар В.Г., Довгого С.О. – Харків: Вид-во «Ранок», 2019. – 272с.
2. Фізика: Навчально-практичний довідник/ Соколович Ю.А., Богданова Г.С. – 2-ге вид. – Х: Видавництво «Ранок», 2011. – 384 с.
3. Фізика. Астрономія. 11клас. І семестр. Рівень стандарту/ Євлахова О.М., Бондаренко М. В. – Х: Вид. група «Основа», 2020. – 144 с.