Тема уроку: Електричний струм в напівпровідниках. Напівпровідникові прилади. Електропровідність напівпровідників. Власна та домішкова провідність. Електронно-дірковий перехід та його властивості. 

Освітньо – виховні завдання: створити комфортні умови для навчання, за яких кожен учень відчуває свою успішність, інтелектуальну спроможність, самостійність.

Навчальна мета:

1.                        Закріпити знання учнів про напівпровідники.

2.                        Дати учням поняття про вільні носії електричного заряду в напівпровідниках, про природу електричного струму в чистих напівпровідниках з точки зору електронної теорії, про провідність напівпровідників, які містять домішки.

3.                        Сформувати знання про процеси, що відбуваються при контакті двох напівпровідників з різним типом провідності, його властивості та практичне використання.

Розвиваюча мета:

1.                        Розвивати логічне мислення учнів через проведення таких операцій як аналіз, порівняння, систематизація.

2.                        Розвивати мовну і слухову пам’ять, стилістичну культуру мовлення.

3.                        Розвивати зв’язне усне й писемне мовлення, творчу уяву, творчі здібності учнів.

Виховна мета:

1.                        Виховувати в учнів самостійність, мислення, кмітливість. справедливість, доброзичливість, гуманність, повагу до людей.

2.                        Виховувати старанність, наполегливість, бажання творчо працювати.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Обладнання: підручники Засєаіна Т. М. «Фізика: підручник для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладів (академічний, профільний рівень) Харків,

Синиця, 2011 рік», комп’ютери, мультимедійний проектор, презентація

«Напівпровідники»

ПЛАН УРОКУ 

МЕТОДИ, ФОРМИ І ПРИЙОМИ НАВЧАННЯ

Хід уроку

3 слайд

1956 рік. У концертній залі  в Стокгольмі троє американських вчених:

Джон Бардин, Вільям Шоклі та Волтер Братейн отримують Нобелівську премію «За дослідження напівпровідників та відкриття транзисторного ефекту» – це було справжнє досягнення у фізиці. З того часу імена відкривачів назавжди вписані до історії світової науки. Однак більш ніж за 15 років перед тим, на початку 1941 року, молодий науковець Вадим Лашкарьов експериментально виявив і описав у своїй статті фізичне явище: обидві сторони «бар’єрного шару», що лежить паралельно кордону поділу мідь/закис міді, мають протилежні знаки носіїв струму. Згодом це відкриття, що дістало назву p-nперехід (p – positive, додатній, n – negative, від’ємний), ляже в основу відзначеного Нобелівською премією наукового досягнення. Також у своїй статті він витлумачив механізм інжекції - надзвичайно важливого явища, на основі якого працюють напівпровідникові діоди і транзистори. 

4   слайд

У другій половині XX ст. у різних галузях народного господарства широкого розповсюдження набули напівпровідникові прилади. їх велика популярність пояснюється високою економічністю апаратури на напівпровідниках, довговічністю і міцністю за малих габаритів. Які ж речовини є напівпровідниками і які їх електричні властивості?

Звичайно напівпровідниками вважають речовини, питомий опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків. Проте є серед них речовини з проміжним значенням питомого опору, але вони не належать до напівпровідників. Деякі напівпровідники мають таку саму високу провідність електрики, як і метали. Напівпровідники відрізняються від інших речовин багатьма властивостями, і значення їх питомого опору не є основним серед них.

Розглянемо деякі з цих властивостей. 

5   слайд

Характерна особливість напівпровідників — це дуже сильна залежність їх питомого опору від стану речовини: температури, освітлення, наявності домішок тощо.

Дослідження показали, що опір у більшості напівпровідників значно чутливіший до змін температури, ніж у металів. Якщо опір металів з підвищенням температури зростає приблизно лінійно, опір напівпровідника, навпаки,— різко зменшується.

Другою важливою особливістю напівпровідників є залежність їх опору від освітлення. Напівпровідники надзвичайно чутливі до вмісту домішок. Мізерна добавка домішок може в сотні й тисячі разів змінити питомий опір напівпровідника Ця надзвичайна властивість напівпровідників, з одного боку, ускладнює дослідження їх характеристик і вимагає опрацювання нової технології добування речовин винятково високої чистоти; з другого боку, дає змогу строго дозованим введенням домішок виготовляти напівпровідники з практично будь-якими заздалегідь заданими властивостями.

Дуже важливою особливістю напівпровідників є те, що в напівпровідниках спостерігається і новий тип провідності, яка за зовнішніми ознаками схожа на провідність, зумовлену рухом позитивних зарядів. Цей ефект у свій час здавався дивним, оскільки проходження струму в провіднику не пов'язане з переміщенням йонів, і природа позитивних носіїв струму певний час залишалася не висвітленою.

Підсумок: ви ознайомилися з рядом важливих властивостей напівпровідників. Тепер спробуємо пояснити ці властивості на основі електронної теорії твердих тіл.

6 слайд

Властивості напівпровідників

Залежно від електричних властивостей речовини поділяють на провідники, діелектрики і напівпровідники. Які ж особливості будови твердих тіл зумовлюють величезну кількісну і якісну різницю електричних властивостей цих речовин?

З молекулярної фізики ми дізналися, що взаємодія між атомами твердого тіла може мати різний характер. В одних тілах ця взаємодія здійснюється за допомогою валентних електронів, в інших — взаємодіють йони. Внаслідок міжатомної взаємодії зв'язок валентних електронів зі своїми атомами послаблюється і в деяких твердих тіл він стає настільки малим, що валентні електрони дістають можливість вільно переміщатися у кристалі. Такі речовини містять велику кількість не зв'язаних з певним атомом електронів і тому мають дуже малий питомий опір. Залежність питомого опору таких речовин від температури визначається швидкістю упорядкованого руху електронів, оскільки їх концентрація із зміною температури не змінюється. Інакше кажучи, такі тіла мають властивості, характерні для металів.

В інших твердих тілах взаємодії самої по собі ще не досить для відщеплення електронів від атомів і перетворення їх на електрони провідності. Для цього навіть слабко зв'язаним електронам треба надати певної додаткової енергії (енергії йонізації) іноді за рахунок енергії теплових коливань атомів.

З підвищенням температури речовини зростають енергія теплових коливань і кількість електронів, які дістають достатню для відщеплення від атомів енергію. В таких речовинах концентрація електронів провідності навіть за кімнатної температури може мати помітне значення, яке сильно зростає з підвищенням температури.

Отже, основною відмінністю металів від напівпровідників є те, що в металах практично всі валентні електрони перебувають у вільному стані, а в напівпровідниках — у зв'язаному. Причому енергія зв'язку їх з атомами невелика, так що за рахунок теплових коливань йонів решітки частина електронів із зв'язаного стану може переходити у вільний.

У деяких речовин енергія зв'язку валентних електронів з атомами може значно перевищувати енергію коливального руху атомів решітки, і тому за звичайних умов у таких речовинах вільних електронів практично немає. Такі речовини називають діелектриками (ізоляторами). Таким чином, між напівпровідниками і діелектриками не можна провести чіткої межі — за досить високих температур діелектрики можуть поводити себе як напівпровідники.

Власна провідність напівпровідників

З'ясуємо детальніше процес утворення електронів провідності у напівпровідниках. Для конкретності міркувань розглянемо Германій — типовий напівпровідник. Його порядковий номер 32, а це означає, що до складу атома входить 32 електрони. Однак із них лише чотири слабко зв'язані з ядром атома. Саме вони беруть участь у хімічних реакціях і зумовлюють чотири валентності Германію. В решітці германію атоми розміщуються так, що кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Спрощену плоску схему розташування його атомів показано на 6 слайді.

Зв'язок двох сусідніх атомів зумовлений парою валентних електронів, які утворюють парно-електронний, або валентний зв'язок. Чотири валентні електрони кожного атома вступають у ковалентні зв'язки з електронами сусідніх атомів, так що вільних електронів у чистому германії немає.

Таким чином, чистий германій за дуже низьких температур має бути надійним ізолятором. Під час підвищення температури кристала внаслідок теплових коливань решітки відбувається розривання деяких валентних зв’язків. У результаті цього частина електронів, які раніше брали участь в утворенні валентних зв’язків, відщеплюються і стають електронами провідності. За наявності електричного поля вони переміщаються проти поля і утворюють електричний струм. Цей механізм провідності по суті не відрізняється від провідності металів.

Однак істотною відмінністю від металів, яка визначає виняткові можливості технічного використання напівпровідників, є можливість ще й іншого механізму електропровідності. Він зумовлений тим, що будь-яке розривання валентного зв'язку спричиняє появу вакантного місця, де відсутній зв'язок. Такі місця з відсутніми електронами зв'язку дістали назву «дірок».

Нестача в даному місці одного елементарного електричного заряду еквівалентна наявності однакового за значенням надлишкового позитивного заряду, тому дірка веде себе як позитивно заряджена частинка. Дійсно, за наявності дірки один з електронів зв'язку може перейти на її місце, внаслідок чого на цьому місці відновлюється нормальний зв'язок, але з'явиться дірка в іншому місці і в цю нову зможе перейти якийсь з інших електронів зв'язку, а це рівносильно переміщенню дірки. 

У зовнішньому електричному полі електрони провідності рухаються проти напруженості поля, а дірки — в напрямі напруженості. В результаті електричний струм забезпечується рухом як електронів провідності, так і дірок. Прийнято розрізняти ці струми, називаючи їх відповідно електронним і дірковим, а електропровідність, зумовлену переміщенням дірок, називають дірковою провідністю. В процесі діркової провідності беруть участь не позитивно заряджені йони атомів, а звичайні електрони зв'язку (непровідності), які переміщаються від дірки до дірки проти поля.

Розглянуте вище стосується хімічно чистих напівпровідників, які містять завжди однакові кількості електронів провідності і дірок.

7 слайд

Домішкова електропровідність напівпровідників Мізерні кількості домішок різко змінюють електричні властивості напівпровідників. При цьому під домішкою звичайно розуміють як атоми чи йони інших елементів, так і різного роду дефекти і спотворення в кристалічній решітці: вузли, тріщини тощо. Далі розглянемо в основному спотворення решітки, зумовлені наявністю реальних домішок — атомів інших елементів. 

Припустимо, що в напівпровіднику германію є атоми інших хімічних елементів, які заміщають окремі його атоми. Нехай домішками є атоми фосфору або миш’яку (арсену)  — елемента п'ятої групи періодичної системи хімічних елементів. Він має п'ять валентних електронів. Але для забезпечення парно-електронних зв'язків чотиривалентного Германію потрібно всього чотири електрони. Тому п'ятий електрон атома миш’яку у виявляється зв'язаним особливо слабко і може бути легко відірваним від домішкового атома за рахунок енергії теплових коливань. При цьому виникає електрон провідності, а атом миш’яку перетворюється на позитивно заряджений йон. Утворення ж дірки не відбувається. Подібний процес схематично показаний на малюнку.

Отже, домішки можуть збільшувати концентрацію електронів провідності і створювати в напівпровіднику електронну домішкову провідність n-типу (від negativ — негативний). Такі домішки називають донорними.

Зовсім інший результат дістанемо, якщо в кристалічній решітці германію його атоми замінюються атомами з меншою валентністю, наприклад тривалентними атомами Індію (слайд). У такого домішкового атома не вистачає одного електрона для утворення нормального ковалентного зв'язку, характерного для решітки германію. Однак домішковий атом індію може створити всі зв'язки, якщо він позичить електрон у ближнього атома германію. Тоді на місці електрона, який залишив атом германію, утворюється дірка Енергія, необхідна для переходу електрона від сусіднього атома германію до атома індію, невелика, тому за кімнатної температури всі домішкові атоми індію захоплюють від сусідніх атомів германію електрони, яких не вистачає для нормального зв'язку, а в решітці германію з'являється така сама кількість дірок.

Домішки, які захоплюють електрони від сусідніх атомів і викликають появу дірок, називають акцепторними. Процес послідовного заповнення дірок електронами еквівалентний, як ми вже переконалися, переміщенню дірки у напівпровіднику і виникненню в ньому носіїв струму.

Оскільки перехід електрона із сусіднього атома відбувається практично без втрат енергії, то дірка, що утворилася, вільно переміщається у кристалі в результаті перестрибувань електронів від сусідніх атомів на дірку. Якщо зовнішнє електричне поле відсутнє,— дірки рухаються хаотично. Коли ж на напівпровідник накласти електричне поле, стрибкоподібний рух електронів від атома до атома стає напрямленим, отже, набуває спрямування і рух дірок у протилежний бік.

Описаний тип провідності називається провідністю р-типу, а напівпровідники з такою провідністю — дірковими, або напівпровідниками ртипу.

Природно, що, коли у напівпровідник одночасно вводять донорні і акцепторні домішки, які створюють обидва типи провідності, характер домішкової провідності залежатиме від того, яка з домішок створює більшу концентрацію носіїв струму. Якщо концентрація електронів провідності в напівпровіднику значно перевищує концентрацію дірок, напівпровідник має електронну провідність (n-типу). Якщо переважає концентрація дірок, то електропровідність буде дірковою (р-тип).

Підсумок: вводячи в напівпровідники різні домішки, можна в широких межах не лише змінювати значення електропровідності, а й створювати їх з переважною електронною чи дірковою провідністю.

8 слайд 

Електронно-дірковнй перехід. Напівпровідниковий діод

Найширше застосування напівпровідники знаходять  у приладах для випрямлення змінного струму і підсилення електричних сигналів. В основі дії цих напівпровідникових приладів лежать процеси, які відбуваються в місцях контакту різних напівпровідників між собою і напівпровідників з металами.

Розглянемо коротко фізичні процеси в таких контактах. Пригадаємо, що за характером своєї провідності напівпровідники можуть бути електронними (n-тип) і дірковими (р-тип). У напівпровідниках n-типу основними носіями заряду є електрони, а в напівпровідниках р-типу — дірки. Приведемо до зіткнення (контакту) два напівпровідники з різними типами провідності. Внаслідок теплового руху електрони з n-області дифундуватимуть у р-область (і там рекомбінуватимуть з дірками), а дірки з р-області — в n-область (і рекомбінуватимуть з електронами). Це приводить до збіднення електронами nнапівпровідника поблизу межі поділу і до утворення надлишкового позитивного заряду в n-напівпровіднику. Дифузія дірок з р-напівпровідника спричиняє утворення в р-області поблизу межі поділу надлишкового негативного заряду. Таким чином, виникає подвійний електричний шар з контактною різницею потенціалів, яка перешкоджає переходу електронів у робласть і дірок в n-область. З часом взаємне проникнення дірок і електронів зменшується і врешті-решт встановлюється така різниця потенціалів на межі поділу р— n -областей, за якої настає рівновага.

Оскільки внаслідок дифузії електронів у р-область і дірок у n-область у подвійному шарі відбувається рекомбінація носіїв струму, в рівноважному стані в шарі поблизу межі поділу з боку n-напівпровідника концентрація електронів менша, ніж у решті цього напівпровідника, а в прилеглому до межі шарі з боку напівпровідника р-типу концентрація дірок менша, ніж в іншій його частині. Контактна різниця потенціалів між напівпровідникам з різним механізмом провідності становить кілька десятих вольта.

Електрони і дірки мають енергію теплового руху, достатню для подолання цієї різниці потенціалів лише за температур близько кількох тисяч градусів, а за звичайних температур електрони і дірки не можуть проникнути в подвійний шар. Тому подвійний шар на межі напівпровідників з різним механізмом провідності виявляється збідненим на носії струму і має підвищений опір. Таким чином, поблизу межі поділу напівпровідників n-типу і р-типу виникає шар підвищеного опору, який називається електроннодірковим, або р—n -переходом.

Особливістю р—n -переходу є те, що його опір залежить від значення і напряму напруженості зовнішнього електричного поля, прикладеного до цього переходу. Припустимо, що n-напівпровідник приєднано до негативного полюса джерела напруги, а напівпровідник р-типу — до позитивного полюса. Під дією електричного поля електрони в n-напівпровіднику і дірки в р-напівпровіднику переміщаються назустріч одні одним до межі поділу напівпровідників (межі р—n -переходу). Внаслідок цього концентрація носіїв струму в області підвищеного опору збільшується, що веде до зменшення опору р—n -переходу.

Зі збільшенням напруги опір р—n -переходу зменшується. Цей напрям зовнішнього електричного поля прийнято називати пропускним.

Якщо ж змінити полярність прикладеної до напівпровідників напруги, то електрони в n-напівпровіднику і дірки в р-напівпровіднику рухатимуться від межі поділу в протилежні. Внаслідок цього розмір подвійного шару, збідненого на носії струму електрони й дірки, збільшуватиметься і його опір зростає. Опір буде тим більший, чим більша напруга прикладена до р—n- переходу. За досить великої напруги цього напряму подвійний шар є практично ізолятором, в якому відсутні рухомі носії струму. Цей напрям зовнішнього електричного поля називають запірним: у цьому напрямі електричний струм практично не проходить через контакт напівпровідників.

Отже, ми з'ясували, що контакт напівпровідників р- і n-типу має однобічну провідність — він добре пропускає струм в одному напрямі (пропускному) і практично не пропускає струму в протилежному (запірному) напрямі (9 слайд). Дія контакту аналогічна випрямляючій дії двохелектродної лампи — діода.

Тому напівпровідниковий пристрій, який містить один р—n-перехід, називають напівпровідниковим діодом. Криву, яка графічно показує залежність сили струму від прикладеної до р—n-переходу напруги, називають вольтамперною характеристикою. Вольтамперна характеристика напівпровідникового діода 10 слайд. Додатним значенням напруги на цьому графіку відповідає випадок, коли до позитивного полюса джерела струму приєднаний напівпровідник р-типу, а до негативного — n-типу. Від'ємним значенням напруги відповідає зворотна полярність. Вольтамперна характеристика дає лише якісне уявлення про процеси, які відбуваються в напівпровідниковому діоді. Насправді різниця значень прямого і зворотного струмів значно більша. Напівпровідникові діоди мають ряд переваг порівняно з вакуумними діодами. В них відсутній підігрівний катод, розміри їх значно менші, ніж вакуумних діодів, вони мають більшу механічну міцність, порівняно легко можна створити діоди для випрямлення сильних струмів. (11 слайд)

12 слайд.

Транзистор

Особливо широко почали застосовувати напівпровідники в техніці після створення у 1948 р. напівпровідникових підсилювачів електричних коливань — транзисторів. Ці напівпровідникові прилади діють подібно до вакуумних електронних ламп із сітками. Розглянемо будову і принцип дії одного з напівпровідникових приладів, які діють аналогічно до трьохелектродної електронної лампи (тріода) і дістали назву напівпровідникового тріода.

Транзистор є кристалом германію, в якому внесенням домішок створені три ділянки з чергуванням типів провідності: діркова — електронна — діркова (можливе й інше чергування: електронна — діркова — електронна), між якими знаходяться два р — n-переходи.

Ці три ділянки називають відповідно емітером, базою (або основою) і колектором транзистора. Увімкнемо між колектором і базою джерело напруги Е₁ в запірному напрямі р—n-переходу, а між емітером і базою — джерело напруги Е₂ в пропускному напрямі. Замкнувши спочатку лише вимикач К₁ , побачимо, що в колі колектора через р—n-перехід проходить дуже слабкий струм. Якщо тепер замкнути вимикач К₂, то міліамперметр покаже значне зростання сили струму в колі колектора, яка зростатиме зі збільшенням напруги джерела Е₂ І зменшуватиметься під час її зменшення.

З'ясуємо причину зміни сили струму в колі колектора зі зміною напруги на емітері. Основну частину електричного струму в емітері створює переміщення дірок у напрямі до бази транзистора, і внаслідок цього відбувається проникнення дірок у базу, тобто в ділянку з електронною провідністю. Оскільки база робиться звичайно дуже вузькою (від кількох міліметрів до десятків мікрон), то дірки не встигають рекомбінувати з електронами і досягають другого р—n-переходу. Тут на дірки починає діяти електричне поле, створюване джерелом напруги Е₁, і вони, проникаючи в колектор, створюють в його колі додатковий струм. Таким чином, будь-яка зміна сили струму в колі емітера приводить до значних змін сили струму в колі колектора. Це пов'язано зі змінами напруг за законом Ома, тому, змінюючи напругу в колі емітера, можна одержати значно більші зміни напруги в колі колектора, тобто підсилити напругу. Отже, транзистор дає змогу підсилити потужність.

Транзистори мають ряд істотних переваг над електронними лампами. Вони не мають розжарюваного катода і тому споживають меншу потужність, не потребують вакууму, їх надійність і термін слугування більші, ніж в електронних ламп, вони мають значно менші розміри. Транзистори успішно застосовують замість електронних ламп у багатьох радіотехнічних схемах і в електронно-обчислювальних машинах. Недоліком напівпровідникових приладів є сильна залежність їхніх електричних характеристик від температури.

Підсумок уроку. 

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?

Завдання додому: Засєаіна Т. М. «Фізика: підручник для 11 класу загальноосвітніх навчальних закладів (академічний, профільний рівень) Харків, Синиця, 2011 рік».

§ 17 «Елетропровідність напівпровідників», с.75 – 79

§ 18 «Напівпровідникові прилади та їх застосування», с.79 - 82

Переглянути відео на www.youtube.com відповідно списку (на e-mail учнів), надіслати звіт  на поштову скриньку вчителя

Використані джерела

1.                  Напівпровідники. Струм в напівпровідниках (

Вадим Гавронський) https://www.youtube.com/watch?v=cdq-jxDr6h4

2.                  Основи Роботи Напівпровідників part 1 https://www.youtube.com/watch?v=dACI6cPDHBQ

3.                  Основи Роботи Напівпровідників part 2 https://www.youtube.com/watch?v=VGjzLno9e54

4.                  напівпровідники різного типу провідності https://www.youtube.com/watch?v=p_j7X71fL2E

5.                  Что такое полупроводники  https://www.youtube.com/watch?v=czkVB14RY5k

6.                  Transistors https://www.youtube.com/watch?v=FODFowmDfvY

7.                  p-n-Juction-And-Diodes https://www.youtube.com/watch?v=W6QUEq0nUH8

8.                  PN переход (The PN Junction) - Версия на русском https://www.youtube.com/watch?v=LmLIKcTIjDw

9.                  https://ppt-online.org/309844

10.             Как работает транзистор https://www.youtube.com/watch?v=4B5l9vJOHjI

11.             Как устроены транзисторы?

https://www.youtube.com/watch?v=X3rDIP7vAMk

12.             Підручник Гончаренко С. У. Фізика: 10 кл. серед, загальноосв. шк.— К.: Освіта, 2002.— 319 с.