Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы.

Тема занятия:  Электрический ток в  полупроводниках.  Полупроводниковые приборы.

Вид занятия -  смешанный.

Тип занятия комбинированный.

Учебные цели занятия:   сформировать у учащихся представление об электрическом токе полупроводниках.  Полупроводниковые приборы.

Задачи занятия:

Образовательная:

Расширить знания учащихся о полупроводниках, дать понятие р-n-перехода и его  использование в полупроводниковом диоде, сформировать знания о применении полупроводников, расширить, углубить знания учащихся о полупроводниках.

Развивающая: 

Развивать у учащихся умение применять полученные знания о полупроводниках  к практическому применению их в технике, развивать интерес к знаниям, способность анализировать, обобщать, выделять главное.

Воспитательная:

Ø  воспитывать у учащихся средствами урока уверенность в своих силах, уважительное отношение к своим товарищам, аккуратность, инициативность;

Ø  чувство прекрасного, культуру речи и общения, аккуратность.

Планируемые образовательные результаты: способствовать усилению практической направленности в обучении физики, формировании умений применять полученные знания в различных ситуациях.

Личностные:  способствовать эмоциональному восприятию физических объектов, умению  слушать, ясно и точно излагать свои мысли, развивать  инициативу  и активность  при решении физических задач, формировать умение  работать в группах.

Метапредметные:   химия - ковалентная связь, использование периодической системы Менделеева, астрономия - солнечные батареи, производственное обучение - электротовары, электротехника, история родного края.

Предметные:  овладеть физическим языком, умением распознавать соединения параллельные и последовательные, умение ориентироваться в электрической схеме, собирать схемы. Умение обобщать и делать выводы.

Ход занятия:

Организация начала урока (отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к уроку, ответы на вопросы студентов по домашнему заданию) – 2-5 мин.

Проверка усвоенных знаний прошлого занятия в виде теста:

Изучение новой темы:

Преподаватель сообщает учащимся тему урока, формулирует цели урока и знакомит учащихся с планом урока. Учащиеся записывают тему урока в тетради. Преподаватель создает условия для мотивации учебной деятельности.

Объяснение нового материала.

    1.Из истории полупроводников.

Мы продолжаем изучать тему «Электрический ток в полупроводниках». Давайте ещё раз вспомним, что же такое полупроводники? Электротехника разделяет все вещества на 3 группы: проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники, в основном металлы, обладают очень малым удельным сопротивлением, поэтому металлы применяются для передачи тока.

У диэлектриков, наоборот, сопротивление огромно, они практически ток совсем не проводят. Их применяют там, где нужно преградить дорогу электрическому току и обезопасить от него людей.

Полупроводники занимают промежуточное положение, сопротивление у них более или менее большое, то есть они проводят электрический ток, но плохо.вот это промежуточное положение – ни проводники, ни диэлектрики – и послужило причиной того, что полупроводники долгое время были изгнаны из электротехники. В начале ХХ века становились на ноги такие изобретения как электродвигатель, трансформатор, линия передач и поэтому электротехника занялась решением двух проблем: пропускание тока и защита от высоких напряжений. А полупроводниками – полу изоляторами интересовались мало.

Всю историю полупроводников можно разбить на 2 этапа: до 1948 года и после. Первый этап характеризуется тем, что полупроводники в промышленности почти не применялись. Единственным исключением был силен, особыми свойствами которого заинтересовались ещё в 70-х годах ХIХ века. Но такое положение не могло продолжаться долго – техника развивается и ищет новые материалы. И полупроводники постепенно начали проникать в различные отрасли электротехники, но это были случайные, не связанные между собой применения, так как полупроводники применяли, либо совсем не подозревая, что это  полупроводники, либо не придавая этому факту никакого значения.

У нас в России в Петербурге в 1931 году академик Иоффе организует научный центр изучения полупроводников. Появились первые теоретические и экспериментальные работы физиков: Френкеля, Иоффе и других. Уже тогда Иоффе предсказывал, что с помощью  полупроводниковых элементов можно будет превращать свет и тепло в электроэнергию для нужд промышленности и быта.

1948 год в истории полупроводников имеет большое значение. В конце этого года американские физики Бардин и Браттейн изобрели полупроводниковый триод, заменяющий радиолампу.

Это событие произвело переворот в полупроводниковой технике. Это изобретение открыло глаза на несправедливо забытых пасынков электротехники полупроводников – и помогло увидеть, какие необъятные перспективы открывают они для развития техники.

После 1948 года полупроводниками стали заниматься целые армии исследователей и инженеров, полупроводники вошли в промышленность, в народное хозяйство.

    2.Использование полупроводников  в устройстве:

       - термисторов,

       - фоторезисторов.

       - сообщение учащегося.

Какие же технические задачи разрешает промышленность с помощью полупроводников?

1) Превращают переменный ток в постоянный.

2) Усиливают высокочастотные колебания.

3) Регулируют силу тока и напряжения.

4) Разрешают разнообразные задачи автоматики и телеуправления.

5) Измеряют температуру и освещённость помещений.

6) Сигнализируют на десятки километров о присутствии светящихся или нагретых тел.

7) Превращают тепловую энергию в электрическую.

8) Создают с помощью электрического тока тепло и холод.

9) Превращают энергию солнечных лучей в электрическую (солнечные батареи).

10) Усиливают в миллионы раз самые слабые пучки электронов.

Самыми простейшими полупроводниковыми приборами являются термисторы и фоторезисторы. Эти полупроводниковые приборы по конструкции предельно просты. Они представляют собой всего-навсего небольшие кристаллики полупроводника с контактами. Однако, благодаря, замечательным физическим свойствам полупроводников, даже эти простейшие приборы способны решать множество трудных, важных и интересных задач в самых разных областях науки и техники.

1) ТЕРМИСТОРЫ (терморезисторы, термосопротивления).

Мы знаем, что в полупроводниках сопротивление очень сильно зависит от температуры. Термисторы – это приборы, которые используют зависимость сопротивления полупроводников от температуры.

Выпускают термисторы в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок размером от нескольких микрометров до нескольких сантиметров.

Где же используются термисторы?

Выступление учащегося.

Термисторы используются:

- в качестве термометров для измерения и регулирования  температуры в диапазоне от 1 К до температуры расплавленной стали 1800 К.

- для стабилизации различных элементов электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры.

- для контроля тепловых режимов машин, механизмов.

- для контроля температуры тяжёлобольных в реанимационных палатах

- для дистанционного наблюдения за состоянием здоровья редких и ценных животных.

- для изучения спектра Солнца и звёзд.

- для измерения температуры, противопожарной сигнализации, что позволяет определять температуру любого числа помещений или предметов из одного наблюдательного пункта.

На больших теплоходах несколько тысяч термисторов размещают по всему кораблю и контролируют температуру везде, где это представляет интерес. Термисторы могут не только контролировать, но и поддерживать желаемую температуру в данном помещении.

Преподаватель:

    Вы будущие работники  пищевой промышленности, где также используются эти устройства для измерения и поддерживания температуры в плитах, жарочных шкафах и других устройствах.

2)ФОТОРЕЗИСТОРЫ.

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется под действием света. Основу любого фоторезистора составляет полупроводниковая пластинка или плёнка. В этих приборах используется явление фотоэффекта (явление вырывания электронов из вещества под действием света), которое мы будем с вами изучать на 2 курсе и ещё встретимся с этими приборами и рассмотрим их более глубоко и научно. Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторов позволяет использовать их в самых различных областях науки и техники.

Что же умеют фоторезисторы?

Выступление обучающегося.

Один впечатляющий пример.

В июне 1982 года, когда английские десантники захватили порт Стенли – административный центр Фолклендских островов, в Южном полушарии, была зима. Как писала газета «Известия» немалую роль в развитии событий сыграло то обстоятельство, что любая попытка аргентинских солдат обогреться и развести костёр, немедленно приводила к накрытию костра, а с ним, как правило, миномётной или артиллерийской позиции, английской ракетой с головкой самонаведения. Фоторезистор, по сигналам которого наводилась ракета, реагировал на инфракрасное излучение костра.

Фоторезисторы установленные на спутниках, следят за запуском чужих ракет. Каждый такой запуск сопровождается характерной и очень мощной вспышкой. Анализ характера вспышки позволяет судить о том, какого типа ракета запущена.

Способность фоторезисторов реагировать на тепловое излучение используют и в мирных целях – для измерения температуры расплавленной стали и чугуна в металлургической промышленности и раскалённой массы материала в керамической, цементной и многих других отраслях промышленности.

Фотосопротивления также находят широкое применение:

- для целей сигнализации и автоматики.

- для управления на расстоянии производственными процессами.

- для сортировки изделий по их размерам.

- для автоматического регулирования освещённости и др.

   3.Контакт двух полупроводников (р-n-переход).

Но огромное практическое применение получил контакт двух полупроводников или р-n-переход, который обладает односторонней проводимостью, то есть пропускает ток только в одном направлении.

Что же собой представляет р-n-переход?

Вывод: В связи с тем, что р-n-переход пропускает электрический ток только в одном направлении, его используют для выпрямления переменного тока.

   4.Использование р-n-перехода в полупроводниковом диоде, его устройство, принцип действия, применение.

Известно, что все электростанции производят переменный ток. Однако имеется множество потребителей, которые не могут обойтись без постоянного тока. Это:

- городской транспорт: троллейбусы, трамваи, метро;

- электролиз;

- зарядка аккумуляторов;

- гальванические покрытия деталей (золочение, серебрение, никелирование, хромирование и т.д.);

- химическая промышленность;

- нефтяная промышленность;

- судостроение и т.д.

Ртутные выпрямители имели низкий КПД, они очень хрупкие, громоздкие,  недолговечные и в них используется ядовитая ртуть.

В настоящее время используются полупроводниковые выпрямители – полупроводниковые диоды, которые изготавливают в основном из германия и кремния. Вообще любой полупроводниковый выпрямительный элемент состоит из электронного и дырочного полупроводников.

Преимущества полупроводниковых диодов:

- высокая надёжность,  - практически неограниченный срок службы,

- компактны, удобны в транспортировке, - просты по устройству, экономичны.

Недостатки:

- могут работать в ограниченном интервале температур (от 70⁰С до 125⁰С).

Полупроводниковые приборы нашли применение в радиотехнике: в приёмниках, телевизорах, магнитофонах, на искусственных спутниках Земли, электронно-вычислительных машинах.

Закрепление и обобщение нового материала.

(Проверка качества, закрепление и обобщение изученного, выводы.)

Вопросы для закрепления:

- Можно ли получить р-n-переход, производя вплавление олова в германий или кремний? (Ge – 4-x вал., Si – 4-x вал., Sn – 4-х вал.)

(Ответ: получить р-n-переход на основе германия – олово или кремний – олово нельзя, так как олово также 4-х вал., и атомы олова, попадая в решётку кремния или германия, не создадут в ней ни дырок, ни дополнительных электронов.)

- В лаборатории имеется столбик, вырезанный из монокристалла германия, а также цинк и фосфор. Каким образом из этих веществ можно получить р-n-переход? (Ge – 4-x вал., Zn – 2-x вал., P – 5-ти вал.)

(Ответ: р-n-переход можно получить, производя вплавление в столбик германия с одной стороны цинка, а с другой стороны фосфора.)

- какие преимущества и недостатки имеют полупроводниковые приборы?

(Ответ: преимущества: высокий кпд, малые размеры, длительный срок службы, малая потребляемая мощность; недостатки: температурная зависимость характеристик приборов.)

Домашнее задание: Подготовить рефераты на тему: «Полупроводниковые приборы и их использование»

Преподаватель ________________________________