Урок «Електропровідність напівпровідників. Власна та домішкова провідність. p-n – перехід. Напівпровідниковий діод »

Тема уроку: «Електропровідність напівпровідників. Власна та домішкова провідність. p-n – перехід. Напівпровідниковий діод »

Мета уроку:

- навчальна: вивчити особливості протікання струму в напівпровідниках; ознайомитися із застосуванням різних пристроїв, заснованих на протіканні електричного струму в якому-небудь середовищі;

- розвивальна: розвивати пізнавальні інтереси; формувати вміння планувати роботу та орієнтуватися в інформаційному просторі; вдосконалювати вміння порівнювати, аналізувати навчальний матеріал при складанні узагальнюючих таблиць; удосконалювати навички самостійної навчальної роботи;

- виховна: створити мотивацію до навчання; встановлювати зв'язок з життєвим досвідом; формувати вміння продовжувати думку іншого, співпрацювати

АКТУАЛІЗАЦІЯ ЗНАНЬ.

1.                Що є носіями заряду в металах? Яким чином вони там утворилися?
2.                На малюнку показаний рух електронів в металі. Який це рух? Що ви можете сказати про електричне поле в металі?
3.                Що змінилося в поведінці електронів, та чому це відбулося?
4.                Від чого залежить сила струму в металах?
5.                Чим пояснюється опір металів? Як він залежить від температури?
6.                Результати якого досліду показані на малюнку? Які висновки Ви можете зробити?
7.                Дати визначення електролітів
8.                Який процес показаний на малюнку?
9.                Що є носіями струму в електролітах?
10.            Як залежить провідність електролітів від температури? Чому так?
11.            Яке явище показано на малюнку?
12.            Де використовують явище електролізу?

ПОЯСНЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Питомий опір низки елементів (кремнію, германію, селену тощо) та деяких оксидів, сульфідів, телуридів з підвищенням температури не зростає, як у металів, а, навпаки, різко зменшується (рис. 1). Такі речовини назвали напівпровідниками. Як видно з графіка, при температурах, що наближаються до абсолютного нуля, питомий опір різко зростає, тобто при низьких температурах T напівпровідник веде себе як діелектрик. Зі зростанням температури питомий опір напівпровідників швидко зменшується.

Пояснимо ці закономірності, розглянувши будову напівпровідників на прикладі чотиривалентного елемента германію (рис 2). Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою ковалентного (парноелектронного) зв'язку. У темряві і при низьких температурах усі електрони зайняті в ковалентних зв'язках. Вільних носіїв у кристалі напівпровідника немає (n), отже I = q₀nS = 0, тому кристал не проводить струму і його опір великий. За цих умов напівпровідник схожий на ізолятор.

З підвищенням температури кристала (або під час попадання на нього світла) деякі ковалентні зв'язки руйнуються. На місці кожного розірваного зв'язку відразу утворюється вакантне місце з нестачею електрона. Його називають діркою. Оскільки дірка переміщується в кристалі, як і вільний носій в електричного заряду, то їй приписують позитивний заряд. Якщо діє зовнішнє електричне поле, в кристалі напівпровідника виникає впорядковане переміщення дірок і до електричного струму вільних електронів додається електричний струм, пов'язаний з переміщенням дірок (діркова провідність).Провідність чистих напівпровідників, що не мають ніяких домішок, називають власною провідністю напівпровідників.

Власна провідність напівпровідників невелика, оскільки малою є кількість вільних електронів. Особливість напівпровідників полягає в тому, що в них за наявності домішок поряд із власною провідністю виникає додаткова - домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна суттєво змінити кількість носіїв заряду того або того знака, а отже, створити напівпровідники з переважаючою концентрацією чи позитивно, чи негативно заряджених носіїв. Наприклад, внесемо в чотиривалентний германій Ge невелику кількість п'ятивалентного арсену (As) (рис. 3). Чотири електрони арсену (As) утворюють ковалентні зв'язки із сусідніми атомами германію (Ge), а п'ятий одразу стає вільним. Домішки, що легко віддають електрони, і, отже, збільшують кількість вільних носіїв, називають донорними домішками.

Напівпровідники з донорною провідністю мають більшу кількість електронів порівняно з кількістю дірок. Їх називають напівпровідниками n-типу. У них електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.

Коли як домішку використовують індій (In), атоми якого тривалентні, то характер провідності силіцію зміниться. Тепер для встановлення нормальних парно-електронних зв'язків із сусідами атома індію не вистачає електрона. Унаслідок цього утворюється дірка. Кількість дірок у кристалі дорівнюватиме кількості атомів домішки (рис. 4). Домішки цього типу називають акцепторними (приймальними). Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу. Основними носіями заряду таких напівпровідників є дірки, а неосновними - електрони.

Цікаві явища спостерігаються під час контакту напівпровідників n- і р-типів.

Припустимо, у нас є кристал, в якому зліва знаходиться область напівпровідника з дірковою (p-типу), а праворуч - з електронною (n-типу) провідністю (рис. 5). Завдяки тепловому руху при утворенні контакту електрони з напівпровідника n-типу будуть переходити в область р-типу. При цьому в області n-типу залишиться не скомпенсований позитивний іон донора. Перейшовши в область з дірковою провідністю, електрон дуже швидко рекомбінує з діркою, при цьому в області р-типу утворюється не скомпенсований іон акцептора.

Аналогічно електронам, дірки з області р-типу переходять в електронну область, залишаючи в діркової області не скомпенсований негативно заряджений іон акцептора. Перейшовши в електронну область, дірка рекомбінує з електроном. У результаті цього в електронній області утворюється не скомпенсований позитивний іон донора.   В результаті дифузії на границі між цими областями утворюється подвійний електричний шар різнойменно заряджених іонів, товщина  якого не перевищує часток мікрометра.

Між шарами іонів виникає електричне поле з напруженістю Ei. Електричне поле електронно-діркового переходу (р-n-перехід) перешкоджає подальшому переходу електронів і дірок через межу розділу двох напівпровідників. Замикаючий шар має підвищений опір в порівнянні з іншим об’ємом  напівпровідників.

Зовнішнє електричне поле з напруженістю E впливає на опір замикаючого електричного поля. Якщо n-напівпровідник підключений до негативного полюса джерела, а плюс джерела з'єднаний з p-напівпровідником, то під дією електричного поля електрони в n-напівпровіднику і дірки в p-напівпровіднику будуть рухатися назустріч один одному до межі розділу напівпровідників (рис. 6). Електрони, переходячи кордон, «заповнюють» дірки. При такому прямому напрямку зовнішнього електричного поля товщина замикаючого шару і його опір безперервно зменшуються. В цьому напрямку електричний струм проходить через р-n-перехід, провідність усього зразка велика, а опір малий. Такий перехід називають прямим.

Якщо n-напівпровідник з'єднаний з позитивним полюсом джерела, а p-напівпровідник - з негативним, то електрони в n-напівпровіднику і дірки в p-напівпровіднику під дією електричного поля будуть переміщатися від межі розділу в протилежні боки (рис. 7). Це призводить до потовщення замикаючого шару і збільшення його опору. Напрямок зовнішнього електричного поля, що розширює замикаючий шар, називається замикаючим (зворотнім). При такому напрямку зовнішнього поля електричний струм основних носіїв заряду через контакт двох п-і p-напівпровідників не проходить.  Цей перехід називають зворотним.

На вольт-амперній характеристиці залежність сили прямого струму від напруги зображено лінією зростаючою в додатному напрямі осі напруги U . Після перемикання полюсів батареї, коли потенціал напівпровідника р-типу буде від'ємним, а потенціал напівпровідника n-типу - додатним, опір переходу зростає, а струм стає незначним. Напрям руху дірок протилежний рухові електронів. Тому напівпровідники мають електронну і діркову провідності (рис. 8).

     Сила зворотного струму майже не змінюється у разі зміни напруги. Створюючи в одному кристалі (наприклад, германію) р-n перехід вплавленням в одну з його поверхонь домішки індію, можна виготовити напівпровідниковий діод. Щоб позбавитися шкідливих впливів повітря і світла, кристал германію вміщують у герметичний металевий корпус. На схемах діод зображують, як показано на рис. 7. Діоди використовують для випрямлення струму в радіосхемах. Напівпровідниковий діод має переваги перед електронними двоелектродними лампами: економія енергії для одержання носіїв струму, мініатюрність, висока надійність і тривалий термін дії.

Діод має односторонню провідність - сила прямого струму у разі навіть невеликих напруг значно більша від зворотного струму за такої самої напруги. Недоліками цих діодів є погіршення їх роботи з підвищенням температури і вологості.

Первинна перевірка знань

Експрес-опитування учня (учениці)_____________________

____________________________________________________

1. Який з графіків відповідає залежності питомого опору напівпровідників від температури?

2. Який з графіків відповідає залежності питомого опору металів  від температури?

3. В одному випадку п'ятивалентний фосфор додали в германій, в іншому - в кремній. Який тип провідності переважає в кожному випадку?

4. На якому із малюнків показане введення в напівпровідник донорної домішки?

5. На якому із малюнків показане введення в напівпровідник акцепторної домішки?

6. На якому з малюнків показане пряме під’єднання діода?____________

7. На якому з малюнків показане зворотне під’єднання напівпровідникового діода?

8. На якому з малюнків показана ВАХ напівпровідникового діода?

9. На якому з малюнків показана ВАХ металевого провідника?

10. На якому малюнку показане схематичне позначення напівпровідникового діоду?

11. Чи правильне твердження, що на малюнку А) зображена кристалічна структура напівпровідника?

12. Чи правильно на малюнку К) показаний напрямок внутрішнього поля контактної області двох напівпровідників?    Таблиця з варіантами відповідей.

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Скласти порівняльну таблицю: «Електричний струм у різних середовищах»