Урок "Електричний струм в напівпровідниках"

Тема програми: Електродинаміка.

Тема уроку: Електричний струм в напівпровідниках.

Мета уроку:

- ознайомити  учнів  з з особливостями протікання електричного струму в  напівпровідниках, сформувати поняття   власної  і домішкової  провідності напівпровідників, виявити залежність електричних  властивостей  напівпровідників від зовнішніх умов та домішок, розглянути можливості використання напівпровідникових матеріалів для практичних потреб;

- розвивати логічне мислення учнів шляхом  систематизації фактів, інтерпретації експериментальних результатів, формування математичної компетентності, активізувати пізнавальний інтерес учнів;

- виховувати інтересу учнів до фізики, важливості навчання та постійного самовдосконалення, розвивати в учнів уміння працювати в команді, поважати інші точки зору та приймати різноманітність в групі.

Тип уроку: урок вивчення та засвоєння нових знань.

Дидактичне забезпечення: ММ презентація «Електричний струм в напівпровідниках», відеоролик «Залежність опору напівпровідників від температури», періодична таблиця  Мендєлєєва.

Матеріально-технічне забезпечення  уроку: комп'ютер, мультимедійний проектор, екран.

«Те, що сьогодні наука , завтра – техніка»

Едвард Теллер

Хід уроку:

І.Організаційний момент

1. Перевірка присутніх.

2. Перевірка готовності учнів до уроку.

3. Створення сприятливої психо-емоційної атмосфери.

ІІ. Актуалізація опорних знань учнів

Фронтальне опитування:

1.Що таке електричний струм? (напрямлений рух заряджених частинок)

2.Які умови  для існування струму? (наявність вільних заряджених частинок, наявність електричного поля, що буде спрямовувати їх)

3.Що є носієм  вільних зарядів в металах? (електрони)

4. За якої умови можливий розряд у газах? (коли газ іонізований, є + та – іони)

ІІІ. Оголошення теми та мети уроку:

Викладач: Ми  продовжуємо вивчати тему «Електричний струм в різних середовищах» і  сьогодні розглянемо особливості протікання електричного струму в напівпровідниках.

Тема  нашого уроку : Електричний струм в напівпровідниках

Мета  уроку:

Дізнатися:

     Що таке напівпровідники?

     Якими носіями заряду створюється струм в н/п?

     Як залежить опір н/п від температури, освітленості та домішок?

     Що таке  власна та домішкова   провідність напівпровідників ?

     Що  являють собою  напівпровідники  n- і р- типу?

ІV. Мотивація навчальної діяльності.

Ви народилися в еру  інтернету та високих комп’ютерних технологій, мобільні телефони в кишені, комп’ютери вдома, телевізори, безліч різноманітної побутової техніки для вас як зазвичай, сприймаєте як невід’ємну частину свого життя. Але ж так було не завжди. Ще сотню років тому про всю цю техніку навіть мови не йшло. А все тому, що основою цієї техніки є напівпровідникові матеріали, про існування яких вчені тоді навіть не здогадувалися. Сучасні напівпровідникові технології – результат багаторічних зусиль великої кількості вчених, винахідників та інженерів. І саме ці технології зробили наше життя таким комфортним та цікавим. Саме це  ми розглянемо сьогодні  на уроці.

V. Пояснення нового матеріалу.

1.  Спочатку  нам необхідно з'ясувати, що являє собою клас речовин, які називаються напівпровідниками, звідки взялась така назва і як розвивалися дослідження та можливості застосування напівпровідників.

Першою ластівкою в дослідженні напівпровідників був Майкл Фарадей. В 1833 році. Фарадеем був встановлений той факт, що електропровідність сірчистого срібла  Ag₂S зі зростанням температури підвищується на відміну від металів, у яких вона з ростом температури падає. У наступні роки Фарадей спостерігав такі ж ефекти ще в ряді різних матеріалів, а саме кристалів, чим власне і відкрив новий напрямок в експериментальній фізиці - фізику напівпровідників або як називали її в той час - кристалофізики.

У той час дослідники не мали ні теоретичної, ні експериментальної бази для дослідження напівпровідників, тому на деякий час вивчення напівпровідникових кристалів зупинилося. В 1873 році почали прокладати телеграфний кабель між Англією і континентальною Європою, для ізоляції цього кабелю використовували селен і з’ясувалося, що опір селену змінюється при освітленні. Це відкриття сталося чисто випадково. Це й призвело до поновлення вчення так званої кристалофізики.

Звідки ж пішла назва? До 1913 року всі матеріали поділялися на метали та ізолятори. В 1914 році Іоанн Кенігсбергер опублікував піонерську роботу, в якій розділив усі матеріали на метали, ізолятори  і «змінні провідники» або напівпровідники.

Це дає нам змогу датувати початок науки про напівпровідники саме цим роком. Адже віднині експериментальні факти стосувалися вже не розрізнених «аномальних» матеріалів, а нового класу речовин із цілком визначеними властивостями.

Проте ще кілька десятиліть напівпровідниками займалися мало. Вчені не розуміли, що з ними робити, а дехто і взагалі не вірили, що вони існують.

Таке ставлення до напівпровідників зберігалося загалом до 1947 році.

Воно радикально змінилося лишень після винайдення американським ученим Вільямом Шоклі та його колегами Джоном Бардіним і Волтером Браттейном транзистора на основі кристалу германію. Цей винахід зробив неймовірний технологічний прорив людства практично в усіх галузях і був вшанований Нобелівською премією 1956 року.

1957 рік. Вчені об'єднують особисті кошти і приступають до розробки технології виробництва на одній пластині відразу сотні кремнієвих транзисторів.  Так утворилася перша мікросхема.

Як же виглядають сучасні напівпровідникові прилади?

Фотоелемент - електронний прилад, який перетворює енергію фотонів в електричну енергію. Спектр застосування фотоелементів надзвичайно широкий. Вони необхідні в системах сигналізації, де використовуються в фотореле. Широко застосовуються фотоелементи в різних вимірювальних приладах.  Сонячна батарея - напівпровідниковий фотоелектричний елемент, що працює на принципі перетворення світлової енергії сонячного випромінювання безпосередньо в електрику.

Термістор - напівпровідниковий резистор, активний електричний опір якого істотно залежить від температури. Для термістора характерні: великий температурний коефіцієнт опору; простота пристрою; здатність працювати в різних кліматичних умовах при значних механічних навантаженнях. Вони використовуються в у різних схемах і автоматичних пристроях для дистанційного вимірювання температури, температурних датчиках, термометрах, практично в будь-якій, зв'язаній з температурними режимами, електроніці, в пожежній сигналізації, для контролю за режимом працюючих машин і механізмів.

Отже, напівпровідники - це порівняно нові матеріали, за допомогою яких протягом останніх десятиліть вдається вирішувати ряд надзвичайно важливих електротехнічних завдань.

Напівпровідники – унікальні матеріали, які є основою сучасного електронного та електротехнічного обладнання і принцип їх дії заклечається в тому, що їх опір залежить від температури та домішок.

Викладач:

Що таке напівпровідники?

Речовини, питомий опір яких має проміжне значення між провідниками та діелектриками і залежить від температури, освітленості та домішок

Визначення – до зошита.

Епіграф.

2. Розглянемо  питання про те, які речовини  відносяться до  напівпровідників? Напівпровідники бувають простими  (або чистими) та складними.

Прості напівпровідники можна знайти  з 3 по 7 групи  періодичної таблиці. Це , власне, хімічні елементи:  Бор (B), Карбон - вуглець (С), Силіцій (кремній)( Si), Фосфор (Р), Сульфур (сірка), S, Германій (Ge), Арсен(миш'як) (As), Селен (Se), Станум (олово) (Sn), Стибій(сурма) Sb, Телур (Teлур) і Йод (I). 

До групи складних напівпровідникових матеріалів входять   хімічні сполуки, що мають властивості напівпровідників і включають в себе два, три або більше хімічних елементів. Напівпровідникові матеріали  цієї групи, що складається з двох елементів, називають бінарними. Прикладами бінарних  напівпровідників є:  InSb (індій та стибій), InAs (індій та арсен-миш’як), InP (індій та фосфор), GaSb (Галій та стибій)

Розберемося з природою провідності струму в чистих напівпровідниках. Така провідність називається власною. Розглянемо її механізм на прикладі  кремнію – до речі, саме кремній та германій  найбільш широко використовуються  у напівпровідникових пристроях.

 Розглянемо  структуру кремнію - елемента 4 групи. Що означає 4-та група? Як  елемент 4 групи, атом  кремнію має 4 валентних електрона . Кількість найближчих сусідів у  кожного атома - чотири. Атом кремнію утворює парно електронний зв'язок  з 4 сусідніми  атомами. В утворенні цього зв’язку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону.(показ анімації).В цілому, плоска модель атома кремнію буде виглядати таким чином.(як на слайді).

Парноелектронні зв’язки досить міцні, електрони, що мають  який заряд?- від’ємний,- міцно тримаються біля позитивних ядер атомів і вільні носії в такому кристалі відсутні. Це в ідеалі. Будь – яке підвищення температури (вище абсолютного нуля) , або освітлення, призводить до розриву деяких ковалентних зв’язків і з’являються вільні електрони. Чим вища температура н/п, тим більше стає вільних електронів. Якщо з’вляється більше вільних електронів, то сила струму при цьому … ? Правильно, зростає.  А опір тоді… він повинен падати.

Запрошую до віртуальної лабораторії, щоб побачити це на досліді.

(Демонстрація відеоролика)

Провідність напівпровідників, зумовлену рухом вільних електронів, називають електронною (n – провідність) n - negative

Але крім вільних електронів, в кристалах н/п є ще зв’язані – ті, які можуть рухатись тільки по орбітах. Але теж можуть рухатись по об’єму кристалу, тому що можуть займати вільні місця електронів, які розірвали ковалентний зв'язок і стали вільними.

Вільне (вакантне) місце, що виникає при відриві електрона, називають діркою, Вона має позитивний заряд і теж може мандрувати по кристалу – при цьому рухається насправді не дірка, а зв’язані електрони.

Провідність напівпровідників, зумовлену рухом дірок, називають дірковою

(р – провідність) p - pozitive

Робимо висновок – носіями заряду в напівпровідниках є електрони(-) та дірки(+)

Як ви думаєте, яких носіїв заряду більше в чистих напівпровідниках : електронів  чи дірок?

Висновок: в чистих напівпровідниках при власній провідності кількість електронів дорівнює кількості дірок: n=р

Баланс  між позитивними і негативними носіями заряду можна змінити за допомогою домішок. Розглянемо домішкову провідність н/п. Домішки в н/п бувають двох типів: донорні та акцепторні.

Хто такий донор? (той, хто щось віддає).

А що може віддати атом? (електрон). Відповідно, домішка, що віддає електрони, називається донорною. За логікою, яку домішку назвемо акцепторною? (ту, що електрони забирає).

Давайте подивимось, що відбудеться в н/п провідниковому кристалі при внесенні донорної домішки. Додамо до кремнію (№ 14), елементу 4 групи , домішку - елемента 5 групи, наприклад, арсен (№ 33 миш’як). Ми бачимо, що 4 валентних електрона миш’яку утворюють парно електронний зв'язок з 4 атомами кремнію. А п’ятий валентний електрон миш’яку виявляється зайвим, легко відривається від атому і стає вільним. Кожен атом домішки, таким чином, дає один вільний електрон, що призводить до збільшення кількості електронів в н/п  у сотні тисяч разів порівняно з дірками. Електрони в такому н/п стають основними носіями заряду, а дірки – неосновними. Такий напівпровідник з донорною домішкою називається напівпровідником   n-типу.(запис визначення у зошит).

Тепер розглянемо, що відбудеться при додаванні акцепторної домішки. Додамо до кремнію елемент 3 групи, наприклад, індій (№ 49). Індій утворює  3 парно електронних зв’язки  з атомами кремнію, а  для утворення 4 зв’язку  у індію не вистачає електрона, в результаті цього утворюється дірка – вакантне місце з нескомпенсованим позитивним зарядом. Кожен атом такої домішки збільшує діркову провідність н/п у сотні тисяч разів, тепер уже дірки є основними носіями заряду, а електрони – неосновними. Такий напівпровідник з акцепторною домішкою називається напівпровідником  р-типу (запис визначення в зошит)

За допомогою донорних та акцепторних домішок можна створювати н/п із наперед заданим типом  та рівнем провідності, контакт яких , так званий р-n – перехід, є основою для великої кількості н/п приладів, про які ми дізнаємось на наступному уроці.

VІ. Закріплення знань учнів

А зараз – перевіримо, як ви розібрались з новою темою!

1. Якого типу – електронна чи діркова буде провідність германію, якщо до нього додати домішку: фосфору?  індію? галію? миш’яку?

2. Яку домішку треба додати, щоб отримати н/п  р- типу? n – типу?

3. Анімована задача

А). З яких елементів складається електричне коло?

Б) Що вимірюють, який дослід проводиться?

В)За результатами досліду визначте, з якої речовини виготовлений елемент кола «?».

4. Інтерактивна вправа за посиланням

https://learningapps.org/view26911968

VIІ.Підсумок уроку:

Зробимо висновки:

1. Напівпровідники – це матеріали, питомий опір яких має проміжне значення між питомими опорами металів та діелектриків.
2. Носіями заряду в напівпровідниках є електрони(-) та дірки(+)
3. Опір н/п із збільшенням температури, освітленості та додаванні домішок зменшується.
4. Власна провідність – це провідність чистих напівпровідників, коли кількість вільних електронів = кількості дірок, домішкова – це провідність н/п з домішками донорного чи акцепторного типу, які приводять до утворення н/п відповідно  n-  чи р-типу.

Домашнє завдання:

1.  Вивчити основні поняття та терміни цієї теми, а на кращу оцінку

2.  Підготуйте  повідомлення «Напівпровідники в моїй майбутній професії».

VIIІ. Рефлексія.

Пропоную визначитися з вашими власними враженнями та почуттями від уроку та намалювати на листочках схематично чоловічка відповідного типу

•         Урок не сподобався, нічого не зрозумів

•         Урок залишив мене байдужим

•         Урок сподобався, але зрозумів не все

•         Урок сподобався, все зрозумів