План конспект по физике на тему: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n-типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы» (10 класс).

Тема: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р­ и n­типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы». Цели:    образовательные: сформировать представление о свободных носителях  электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения  электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p­n­ перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p­n­перехода; развивающие: развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно  формулировать выводы, расширять познавательный интерес, познавательную  активность; воспитательные: продолжить формирование научного мировоззрения школьников. Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через  контакт полупроводников р­ и n­типов. Полупроводниковый диод. Транзистор»,  мультимедийный проектор.  Ход урока I. Организационный момент. II. Изучение нового материала. Слайд 1. Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может  изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это  значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается. Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений. Слайд 3. Механизм проводимости у полупроводников Слайд 4. Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где  внешние Слайд 5.электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они  ведут себя как диэлектрики. Полупроводники чистые (без примесей) Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью,  которая невелика. Собственная проводимость бывает двух видов: Слайд 6. 1) электронная (проводимость "n " – типа) При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и  сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц  увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление  уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности  электрического поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных  электронов. 1017 1024 Слайд 7. 2) дырочная (проводимость " p" – типа) При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые  валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном  – "дырка". Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными  электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда. Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического  поля. Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием  сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной  проводимостью. Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и  "n" ­типов и называется электронно­дырочной проводимостью. Полупроводники при наличии примесей У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость. Наличие примесей проводимость сильно увеличивает. При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок. Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников. Существуют: Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками  электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число  свободных электронов в полупроводнике. Слайд 9. Это проводники " n " – типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где  основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.  Такой полупроводник обладает электронной примесной  проводимостью. Например – мышьяк. Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают "дырки" , забирая в себя  электроны. Это полупроводники " p "­ типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где  основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны. Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью. Слайд  11. Например – индий. Слайд 12. Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников  с различным типом проводимости, или, как говорят, в р—n­переходе. Слайд 13­16. Электрические свойства "p­n" перехода "p­n" переход (или электронно­дырочный переход) – область контакта двух  полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или  наоборот). В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне  контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная  диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.  Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и  дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с  другими областями полупроводника. Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя. При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток  проходит через границу двух полупроводников. Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны,  переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление  непрерывно уменьшаются. Пропускной режим р­n перехода: При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический  ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет. Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то  запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается. Запирающий режим р­n перехода: Таким образом, электронно­дырочный переход обладает односторонней  проводимостью.   Полупроводниковые диоды Полупроводник с одним "p­n" переходом называется полупроводниковым диодом. – Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод». – Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин. – Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно? – А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин. – Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом! Слайд 17–21. При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в  обратном – сопротивление мало. Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока. Слайд 22–25. Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления,  генерирования и преобразования электрических колебаний. Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства" р­n "переходов, ­  транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов. В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два  вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто  называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее  широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух  английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде  биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в  слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые  образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного  типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный  вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней  электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У  транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной  электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1,  б). При подаче на базу транзистора типа n­p­n положительного напряжения он открывается, т.  е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче  отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он  открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p­n­p все наоборот. Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или  кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n­типа  или p­типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных  элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия  (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в  толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости.  Пластинка германия или кремния p­типа и созданные в ней области n­типа образуют  транзистор структуры n­p­n (рис. 1,а), а пластинка n­типа и созданные в ней области p­типа — транзистор структуры p­n­p (рис. 1,б). Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют  базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема —  эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема — коллектором (К). Эти три  электрода образуют два p­n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а  между базой и эмиттером — эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим  свойствам аналогичен p­n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких  же прямых напряжениях на них. Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем,  что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у  транзистора структуры p­n­p обращена к базе, а у транзистора n­p­n — от базы. Слайд 26–29. III. Первичное закрепление. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Какие вещества называются полупроводниками? Какую проводимость называют электронной? Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников? О каких примесях теперь вам известно? В чем заключается пропускной режим p­n­ перехода. В чем заключается запирающий режим p­n­ перехода. Какие полупроводниковые приборы вам известны? Где и для чего используют полупроводниковые приборы? IV. Закрепление изученного 1. Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При  освещении? 2. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к  абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния  увеличивается). V. Домашнее задание. § 113­116 – учить, пов. § 109–112.