Електричний струм у напівпровідниках

Мета:

навчальна:

Навчити учнів відрізняти провідність металів, електролітів і напівпровідників. Показати донорно-акцепторний механізм провідності. 

розвивальна:

Розвивати: пам"ять, увагу, уяву, мислення.

виховувати:

Любов до науки, до предмету, до Батьківщини.

Хід уроку

І. Організаційний момент

Аутотренінгова вправа

Одного разу відомого мислителя Сократ запитали, що на його думку, найлегше робити в світі. Він відповів, що найлегше повчати всіх, найважче – повчати самого себе. Пізнавайте себе! Витягнуть, будь-ласка, руки перед собою. Подивіться, у багатьох долоньки догори. Це значить, що ви відкриті для того, щоб поділитися своїми знаннями; отримати нові знання; ви готові до діалогу й співробітництва.. сподіваюся, це бажання у вас збережеться до кінця уроку. Зазирніть до себе в середину й запишіть на полях слово, яке описує ваш настрій зараз: роздратований, стривожений, байдужий, спокійний, у радісному передчутті. Наприкінці уроку з’ясуємо, чи змінився ваш настрій.

II. Перевірка домашнього завдання

1) 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) Виконання тесту за комп’ютером [[1]]

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності

Провідники

Сила любові

"Зачем надевают кольцо золотое

На палец, когда обручаются двое?"

Меня любопытная дева спросила.

Не став пред вопросом в тупик,

Ответил я так собеседнице милой:

- Владеет любовь электрической силой,

А золото - проводник!

(Роберт Бернс "Золотое кольцо")

На попередніх уроках ми з вами ознайомились, що електричний струм може існувати в розчинах, газах та вакуумі. В одних провідником може бути вільні електрони в інших іони, а в напівпровідниках, що може бути носієм заряду? За яких умов з вірша Роберта Бернса напівпровідник стане провідником? Зараз це ми з вами з’ясуємо.

IV. Повідомлення теми, мети, завдань уроку

Учитель повідомляє навчальну мету та завдання уроку.

Епіграф уроку:

Людина - провідник і діелектрик,

Людина - і порядок, і хаос,

Людина - і пізнане, і невідоме.

Людина - вічна доповнюваність.

І.Стульпинене

V. Пояснення нового матеріалу.

1. Речовини залежно від електричних властивостей поділяються на провідники, діелектрики і напівпровідники.

Напівпровідники – це речовини, питомий опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків. Напівпровідники використовуються для виготовлення різних приладів, що використовуються в електротехніці. Прилади ці довговічні, малогабаритні, міцні.

Які ж властивості напівпровідників? (Кремній, германій, селен).

1) Залежність питомого опору від стану речовини. температури: з підвищенням температури опір зменшується; освітлення: внаслідок освітлення опір зменшується; наявність домішок: у сотні, тисячі разів змінюється опір зовнішніх електричних полів; опромінення ядерними частинками.

2) Спостерігається новий тип провідності, що обумовлена рухом позитивних зарядів.

3) На відміну від металів, де електрони вільні, у напівпровідниках валентні електрони у зв’язаному стані.

Щоб збільшити провідність напівпровідників, потрібно збільшити концентрацію вільних носіїв заряду. А це можна зробити при підвищенні температури чи освітлення, тобто зміною зовнішніх умов, або зміною хімічного складу напівпровідника.

2. Розглянемо будову напівпровідників.

Щоб увімкнути транзисторний приймач, знати нічого не треба. Але щоб його створити, потрібно було знати дуже багато. Про транзистор поговоримо пізніше. Спочатку ознайомимося з механізмом провідності у напівпровідниках. Розглянемо кристал кремнію або германію і вникнемо у природу зв’язків,, що утримують атоми кристалу один біля одного. Кремній (Z=14), германій (Z=32). До складу атома входить 14 електронів, до складу атома входять 32 електрони. Але і чотиривалентні елементи. Що це означає? Що в зовнішній оболонці атома є 4 електрони, які порівняно слабко зв’язані з ядром.

Між парою сусідніх атомів існує так званий парноелектронний зв’язок, або ковалентний. Чотири валентні електрони кожного атома вступають у ковалентний зв’язок з електронами сусідніх атомів. Так, що вільних електронів у чистому германію немає. А нема вільних носіїв заряду, то й не буде проходити електричний струм. (Яка умова існування електричного струму?). Ковалентні зв’язки досить міцні і при низьких температурах напівпровідники є діелектриками.

3. Від нагрівання германію кінетична енергія валентних електронів зростає і окремі зв’язки розриваються. В 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. Як у металах (електронна провідність).

Але на відміну від металів у напівпровідників є ще інші механізми провідності. Коли розривається зв’язок, то утворюється вакантне місце, де не вистачає електрона. Його називають діркою. Дірка веде себе як позитивно заряджена частинка.

З підвищенням температури кількість розірваних зв’язків, отже вільних електронів, збільшується. Збільшується і кількість дірок. Під час руху електронів, електрони можуть займати вакантні місця (дірки) при цьому відновлюються валентні зв’язки.

Що ж відбувається з діркою?

Дірка переміщується у кристалі у протилежний бік від руху електронів. Приклад: вільні місця у класі (залі).

Рух електронів і дірок хаотичний, якщо напруженість електричного поля дорівнює 0. При наявності електричного поля виникає упорядковане переміщення дірок у напрямі вектора напруженості, і упорядковане переміщення електронів проти руху дірок.

Отже, у напівпровідників є носії зарядів двох типів: електрони і дірки.

Тому напівпровідники мають не тільки електронну, а й діркову провідність.

Ми розглянули механізм провідності ідеальних (чистих) напівпровідників. Провідність чистих напівпровідників називають власною провідністю напівпровідників.

4. Провідність напівпровідників у великій мірі залежить від домішок. Саме ця залежність зробила напівпровідники тим, чим вони стали в сучасній техніці.

При наявності домішок, крім власної провідності, виникає додаткова – домішкова провідність (рис. 1).

Змінюючи концентрацію домішки, можна змінювати кількість носіїв заряду того чи іншого знаку. Завдяки цьому створюються напівпровідники з переважною концентрацією – або від’ємно, або додатно заряджених носіїв. Ця особливість напівпровідників і відкриває широкі можливості для їх практичного застосування.

рис. 1 n-тип

Приклад: Припустимо, що у германію (4 валентних електрони) є атоми хімічних домішок, які заміщають окремі його атоми. Атоми фосфору (5 валентних електронів) є домішками.

Кремній (4 валентних електрони) і домішки миш’яку (5 валентних електрони). Чотири електрони 5 валентного фосфору беруть участь у створенні ковалентного зв’язку з навколишніми атомами германію.

А п’ятий електрон фосфору виявляється слабо зв’язаний з атомом і легко залишає атом фосфору і стає вільним.

рис. 2 p-тип

Отже, домішки можуть збільшувати концентрацію електронів провідності і створювати в напівпровіднику електронну домішкову провідність n-типу (негативний). Такі домішки називаються донорними. У напівпровіднику n-типу електрони – основні носії заряду, дірки – неосновні. Акцепторні домішки (рис.2).

Зовсім інший результат дістанемо, якщо в кристалічній решітці германію його атоми змінити атомами з меншою валентністю. Наприклад: германій – 4-валентний індій – 3-валентний (або кремній 4-валентний і індій 3-валентний). Для встановлення нормальних парноелектричних зв’язків із сусідами атомами індію не вистачає електрона. Внаслідок цього утворюється дірка. Кількість дірок у кристалі дорівнює кількості атомів домішки.

Такі домішки називаються акцепторними. Коли э електричне поле, дырки переміщуються і виникає діркова провідність. Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називаються напівпровідниками р-типу (позитивні) . Дірки – основні носії заряду, електрони – не основні.

Донорні домішки віддають зайві валентні електрони і утворюється напівпровідність n-типу. Акцепторні домішки створюють дірки і утворюють напівпровідність р-типу.

VI. Закріплення нового матеріалу, та застосування набутих знань

• Запитання до класу

1. Чому вимоги до чистоти напівпровідникових матеріалів дуже високі?

2. Яку провідність має кремній з домішкою галію? фосфору? сурми?

3. Як зміниться опір зразка кремнію з домішкою фосфору, якщо ввести в нього домішку галію?

4. Порівняйте залежність опору металів та напівпровідників від температури.

5. Що треба зробити, щоб електропровідність германія й кремнія стала такою самою, як електропровідність металу? діелектрика? Чи збережуться при цьому їхні напівпровідникові можливості?

• Робота з картками окремих учнів

• Виконання інтерактивної вправи "Електричний струм у напівпровідниках" 1

• Виконання вправи на повторення "Електричний струм у різних середовищах"1

VII. Підбиття підсумків уроку

Підбивається підсумок уроку.

За допомогою карти знань підводимо підсумок уроку.

Напівпровідники

Що ми дізналися на уроці

• Напівпровідники — речовини, питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури.

• Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною.

• Провідність напівпровідників, обумовлену рухом дірок, називають дірковою провідністю.

• Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними.

• Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу.

• Домішки, що «захоплюють» електрони атомів кристалічних решіток напівпровідників, називаються акцепторними.

• Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу.

Вправа "Мікрофон"

- для мене сьогодні важливим було…; - сьогодні я навчився…; - мені хотілось би в майбутньому навчитись…(

Релаксація «Килимок вражень»

Учні, виходять до дошки, прикріплюють на килимок вражень «смайлики» - обличчя з різними виразами, які показують їхній настрій після уроку.

VIII. Домашнє завдання

Параграф 27, виконати стор. 111 №3