Розробка уроку: "Електричний струм в напівпровідниках. Донорні та акцепторні домішки. Діод. Термістор."

Тема: Електричний струм в напівпровідниках. Донорні та акцепторні домішки. Діод. Термістор.

Мета: пояснити природу виникнення струму в напівпровідниках; показати практичне застосування напівпровідників; розповісти про донорні та акцепторні домішки; ознайомити з пристроями: діод і термістор;  розвивати вміння працювати самостійно, проводити спостереження та досліди.

Тип: засвоєння нових знань.

План уроку:

1. Перевірка домашнього завдання.

2. Вивчення нового матеріалу.

3. Закріплення вивченого матеріалу.

4. Домашнє завдання.

1. Перевірка домашнього завдання.

Здійснюється опитуванням параграфа заданого додому.

Фронтальне опитування:

1. Чим пояснити велику концентрацію електронів провідності у металах?

2. Як рухаються електрони провідності і металевих провідниках:

а) нема електричного поля;

б) створюють електричне поле.

3. Чому незважаючи на малу швидкість впорядкованого руху електронів у металевому провіднику, прилади починають діяти одночасно при вмиканні електричного струму?

4. Який фізичний зміст температурного коефіцієнту опору?

5. Коли електричною лампочкою розжарення йде більший струм: одразу після вмикання її в мережу чи через кілька хвилин?

2. Вивчення нового матеріалу.

Не всі тіла однаково проводять електрику. Провідники (метали) – добре, ізолятори (діелектрики) майже не проводять, напівпровідники – залежно від умов.

Метали:

• срібло;
• мідь;
• алюміній;
• сталь.

Напівпровідники:

• Германій;
• Селен;
• Бор;
• Силіцій.

Діелектрики:

• скло;
• порцеляна;
• смола;
• парафін.

 Характерна властивість напівпровідників – це здатність різко змінювати опір під впливом зовні (ρ_м < ρ_{н / п} < ρ_д).

Іноді слово напівпровідник пов’язане з тим, що нібито напівпровідник проводить струм в одному напрямі. Насправді це зовсім не так. Якщо взяти напівпровідник і пропустити крізь нього струм спочатку в одному, а потім в протилежному напрямі, то значення сил струму в обох випадках будуть однаковими.

Діод – прилад з двома електродами, що пропускають струм практично в одному напрямі.

Застосовується у радіотехніці, електроніці, енергетиці та в інших галузях, переважно для випрямляння змінного електричного струму, детектування, перетворення та помноження частоти, а також для переключення електричних кіл.

За фізичними принципами реалізації своїх функцій діоди як електронні приладибувають електровакуумними, які виготовляють у вигляді електронних (електровакуумних) ламп (електровакуумні діоди) або газорозрядних (газонаповнених) приладів (газорозрядні вентилі) та напівпровідниковими. Кожний з видів поділяється на низку підвидів, залежно від функцій, що виконуються ними в електричних колах.

Кремній – це чотирьохвалентний елемент, це означає, що на зовнішній оболонці міститься 4 електрони, що порівняно слабо зв’язані з ядром. При теплових співударах атомів, якийсь із електронів може покинути зв’язок – дірка яка є еквівалентною позитивному заряду.

В напівпровідниках є носії двох типів:

- електрон;

- дірка.

Графік залежності питомого заряду від температури

Питомий опір зменшується з підвищенням температури.

Провідність напівпровідників зумовлену наявністю в них вільних електронів, називають електронною провідністю. Провідність напівпровідників зумовлену наявністю дірок (не вистачає електрона), називають дірковою провідністю.

Провідність чистих напівпровідників (власна провідність) здійснюється переміщенням вільних електронів (електронна провідність) і переміщенням зв’язаних електронів на вакантні місця парноелектроних зв’язків (діркова провідність).

Донорні домішки віддають зайві електрони: утворюється напівпровідники n – типу. Акцепторні домішки створюють дірки: утворюється напівпровідники p – типу.

Донорні домішки. Напівпровідники n-типу провідності.

Кристал германію, в який внесено домішки елементів III або V групи таблиці Менделєєва, називається домішковим напівпровідником. Домішкові напівпровідники мають значно більшу провідність порівняно з напівпровідниками з власною провідністю.

При внесенні в попередньо очищений германій домішки п'ятивалентного елемента (наприклад, арсеніду) атоми домішки заміщують у вузлах кристалічних ґраток атоми германію. При цьому, чотири валентних електрони атома арсеніду, об'єднавшись з чотирма електронами сусідніх атомів германію, налагоджують тетраедричну систему ковалентних зв'язків, п'ятий електрон виявляється надлишковим.

Таким чином, у вузлах кристалічних ґраток германію, де містяться атоми домішки, створюються позитивно заряджені іони, а в об'ємі кристала переміщуються над­лишкові електрони з енергією зони провідності. Якщо електрони, що звільнилися, розташовуються поблизу своїх іонів.

Число електронів у кристалі при внесенні п'ятивалентної домішки перевищує число дірок. Такий напівпровідник має, головним чином, електронну  провідність, або провідність n-типу (n-напівпровідник), а домішка, що віддає електрони, називається донорною. Основними носіями заряду в напівпровіднику n-типу е електрони, а не основними — дірки.

Акцепторні  домішки. Напівпровідники p-типу провідності.

При внесенні в кристал германію домішки елементів III групи (на­приклад, індію, галію) атоми її заміщають у вузлах кристалічних ґраток ато­ми германію. Однак у цьому випадку при комплектуванні ковалент­них зв'язків одного електрона не вистачає, оскільки атоми домішки мають лише три валентних електрони. У зв'язку з тим, що енергетичний рівень домішки (галію) Е_а лежить у за­бороненій зоні поблизу валентної зони, щоб електрони з верхніх рівнів валентної зони пе­ремістились на рівень домішки, заповнивши відсутні зв'язки. В ре­зультаті у валентній зоні виникають надлишкові вакантні енергетичні рівні (дірки), а атоми домішки (галію) перетворюються в негативні іони. Отже, число дірок у напівпровіднику при внесенні тривалентної домішки перевищує число електронів. Такий напівпро­відник має діркову провідність або провідність р-типу (р-напів­провідник). Домішка, введення якої зумовлює створення дірок у валентній зоні, називається акцепторною. В напівпровіднику р-типу основними носіями є дірки, а не основними — електрони.

Терморезистор, термістор — напівпровідниковий резистор, активнийелектричний опір якого залежить від температури; терморезистори випускаються у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб і бусинок; розміри варіюються від декількох мкм до декількох см.

Термісторами також називають термометри, в яких температура визначається за зміною електричного опору.

3. Закріплення вивченого матеріалу.

Запитання для організації бесіди:

1. У чому полягає різниця між залежністю від температури опору напівпровідників і металів?

2. Які рухливі носії зарядів є в чистому напівпровіднику?

3. Як пояснити зменшення питомого опору напівпровідників з підвищенням температури?

4. Які носії заряду є основними в напівпровіднику n - типу p – типу?