Тема урока: "Полупроводниковые приборы. Диоды"
Цель и задачи занятия:
Образовательные:
формирование первоначального понятия о назначении, действии и основном свойстве полупроводниковых диодов.
Воспитательные:
сформировать культуру умственного труда, развитие качеств личности - настойчивость, целеустремленность, творческую активность, самостоятельность.
Развивающие:
обучение применению свойства односторонней проводимости.
Материально техническое оснащение урока:
рабочие тетради, компьютер преподавателя, интерактивная доска, прзентация на тему
Ход занятия:
1. Организационный момент:
(Задача: создание благоприятного психологического настроя и активация внимания).
2. Подготовка к повторению и обобщению пройденного материала
Что такое электрический ток.
Сила тока, единицы измерения.
p – n переход.
Полупроводники.
Сообщение темы и цели занятия.
Полупроводники. Диоды.
Объяснение перспективы.
Чтобы изучить современную электронику, надо, прежде всего, знать принципы устройства и физические основы работы полупроводниковых приборов, их характеристики и параметры, а также важнейшие свойства, определяющие возможность их применения в электронной аппаратуре.
Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры и массу аппаратуры. Минимальная мощность для питания электронной лампы составляет 0,1 Вт, а для транзистора она может быть 1мкВт, т.е. в 100000 раз меньше.
3. Основной этап.
Новый материал
Все вещества, встречающиеся в природе, по своим электропроводным свойствам делятся на три группы:
Проводники,
изоляторы (диэлектрики),
полупроводники
К полупроводникам относится гораздо больше веществ, чем к проводникам и изоляторам. В изготовлении радиоприборов наибольшее распространение получили 4-х валентные германий Ge и кремний Si.
Электрический ток полупроводников обуславливается движением свободных электронов и так называемых "дырок".
Свободные электроны, покинувшие свои атомы, создают n- проводимость (n - первая буква латинского слова negativus - отрицательный). Дырки создают в полупроводнике р - проводимость (р - первая буква латинского слова positivus- положительный).
В чистом проводнике число свободных электронов и дырок одинаково.
Добавляя примеси, можно получить полупроводник с преобладанием электронной или дырочной проводимостью.
Важнейшее свойство р- и n- полупроводников - односторонняяя проводимость в месте спайки. Эта спайка называется p-n переходом.
В 4-х валентный кристалл германия (кремния) добавить 5-ти валентный мышьяк (сурьму) то получим n - проводник.
При добавлении 3-х валентного индия, получим р - проводник.
Когда "плюс" источника соединен с р- областью, говорят что переход включен в прямом направлении, а когда минус источника тока соединен с р- областью, переход включен в обратном направлении.
Одностороння проводимость р и n перехода является основой действия полупроводниковых диодов, транзисторов и др.
Имея представление о полупроводнике, теперь приступим к изучению диода.
Приставка "ди" - означает два, указывающая на две примыкающие зоны разной проводимости.
Вентиль велосипедной шины (нипель). Воздух через него может проходить лишь в одном направлении - внутрь камеры. Но существует и электрический вентиль. Это диод - полупроводниковая деталь с двумя проволочными выводами с обоих концов.
По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными или точечными.
Плоскостные диоды имеют большую площадь электронно- дырочного перехода и применяются в цепях, в которых протекают большие токи.
Точечные диоды отличаются малой площадью электронно-дырочного перехода и применяются в цепях с малыми токами.
Условно-графическое обозначение диода. Треугольник соответствует р- области и называется анодом, а прямолинейный отрезок, называется катодом, представляет n- область.
В зависимости от назначения диода его УГО может иметь дополнительные символы.
Основные параметры, по которым характеризуются диоды.
Прямой ток диода.
Обратный ток диода.
Закрепление материала.
Изменение полярности подключения источника питания в цепи, содержащей полупроводниковый диод.
Соединяем последовательно батарею 3336Л и лампочку накаливания МН3,5 – 0.28 (на напряжение 3.5В и ток накала 0.28А) и подключаем эту цепь к сплавному диоду из серии Д7 или Д226 так, чтобы на анод диода непосредственно или через лампочку подавалось положительное, а на катод – отрицательное напряжение батареи (рис 3, рис.4). Лампочка должна гореть полным накалом. Затем изменяем полярность подключения цепи “батарея – лампочка” на обратную (рис. 3, рис.4). Если диод исправный – лампочка не горит. В этом опыте лампочка накаливания выполняет двойную функцию: служит индикатором тока в цепи и ограничивает ток в этой цепи до 0.28А, тем самым защищая диод от перегрузки. Последовательно с батареей и лампочкой накаливания можно включить еще миллиамперметр на ток 300…500мА, который бы фиксировал прямой и обратный ток через диод.
4.Контрольный момент:
Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника постоянного тока, микродвигателя, 2-х диодов, так, чтобы с помощью выключателей изменять направление вращение ротора микродвигателя.
Определите полюса батареи для карманного фонаря с помощью полупроводникового диода.
Самостоятельно изучите проводимость диода на демонстрационном стенде. Изучение односторонней проводимости диода.
5.Итоговый момент:
оценка успешности в достижении задач занятия (как работали, что узнали или усвоили)
6. Рефлективный момент:
определение результативности и полезности занятия через самооценку воспитанников.
7. Информационный момент:
определение перспектив следующего занятия .
8. Домашнее задание
Для закрепления пройденного материала, подумайте над следующими задачами и приведите их решение:
Как с использованием полупроводникового диода защитить радиоаппаратуру от переполюсовки?
Имеется электрическая цепь, в которую входят четыре последовательно соединенных элемента – две лампочки а и б и два выключателя А и Б. При этом каждый выключатель зажигает только одну, только “свою” лампочку. Для того, чтобы зажечь обе лампочки, нужно одновременно замкнуть оба выключателя.
Шпак С.И. преподаватель физики КГБ ПОУ «КМТ», г. Владивостока
ПЛАН УРОКА
Урок № 39-40
Раздел: Электрический ток в различных средах.
Тема урока: Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы.
Цель:
Дать понятие электронно – дырочной проводимости полупроводников. Объяснить виды проводимости. Рассмотреть устройство и принцип действия полупроводниковых приборов и их применение.
Развивать политехнический кругозор.
Воспитывать интерес к предмету.
Оборудование:
Ноутбук;
Интерактивная доска;
ЦОР для ИД «Электрический ток в металлах» в программе Macromedia Flash ;
ЦОР для ИД «Полупроводники» в программе Macromedia Flash ;
Раздаточный материал: таблица Менделеева;
Мини-стенд «Полупроводниковые приборы».
Литература:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., «Физика 10» Москва, «Просвещение», 2010г.
Шахмаев М.Н., Шахмаев С.М. «Физика 10» Москва, «Просвещение», 2007г
Дополнительный материал «Полупроводниковые приборы: устройство, принцип действия, применение».
Ход урока:
I Организационная часть
II Повторение
Вопросы для повторения темы «Электрический ток в металлах»:
Какие основные носители зарядов в металлах. Какая проводимость у металлов.
Рассказать и продемонстрировать на ИД опыты, подтверждающие существование в металлах свободных электронов (ЦОР для ИД «Электрический ток в металлах»).
Решить задачу на расчет зависимости сопротивления металла от температуры (на местах):
Алюминиевая проволока при 0 0 С имеет сопротивление 4,25Ом. Каково ее сопротивление при 20 0 С? (Отве: 12,29 Ом)
III . Новый материал:
1. Полупроводники.
Работа в тетради:
Определение: Полупроводники – это вещества, удельное сопротивление которых зависит:
От температуры,
От наличия примесей,
От изменения освещенности.
2. Механизм проводимости полупроводников
Слайд «Полупроводники»:
В обычном состоянии в полупроводниках связи электронов прочные и, следовательно, нет свободных носителей зарядов. При повышении температуры связи электронов нарушаются, и электроны становятся свободными, следовательно, сопротивление понижается и полупроводник проводит ток. Аналогично при изменении освещенности.
3. Полупроводниковые вещества.
Слайд «Полупроводниковые элементы»
Задание учащимся : Записать в тетрадь с помощью таблицы Менделеева все полупроводниковые вещества. Проверяем на ИД.
4. Проводимость полупроводников:
Работа в тетради:
Основные носители заряда в полупроводниках – электроны и дырки . Электроны – отрицательные, дырки – положительные.
Определение: Дырка – это место, с которого ушел электрон.
Следовательно, проводимость полупроводников электронная и дырочная .
Определение: Донорная примесь – избыток электронов, легко отдает электроны. Основные носители заряда – электроны. (n – тип).
Определение: Акцепторная примесь – недостаток электронов, легко принимает электроны. Основные носители заряда - дырки (р – тип)
Закрепляем материал составлением схемы: Слайд «Виды проводимости»
5. Электрический ток через контакт p – n типа.
Слайд p - n переход: Демонстрация, объяснение преподавателя
n – p контакт – прямой переход,
p – n контакт – обратный переход.
6. Полупроводниковые приборы:
Работа с учебником:
Задание: изучить устройство и принцип действия полупроводниковых приборов. Составить описание прибора по плану.
(План описания прибора: название; устройство; принцип действия; применение).
Рассказать об устройстве и принципе действия прибора. Продемонстрировать работу прибора на ИД.
Полупроводниковый диод.
Слайд «Полупроводниковый диод»
Устройство :
В кристалл германия (n - тип) вводят акцепторную примесь индия (р – тип)
Принцип действия :
Вследствие диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия, у поверхности германия возникает область с проводимостью р – типа. Остальная часть образца германия, в которую атомы индия не проникли, по - прежнему имеет проводимость n – типа. Между двумя областями с проводимостями разных типов и возникает р – n переход.
Применение:
Для выпрямления электрического тока в радиосхемах и ЭВМ.
Преимущества:
Малый размер, экономия электроэнергии, надежность, долговечность.
Недостатки:
Чувствительность к перепадам температуры.
Термистор.
Слайд «Термистор»
В полупроводниках сопротивление зависит от температуры, следовательно, терморезисторы используют для измерения температуры по силе тока.
Преимущества:
Малые размеры, любая форма, изменение температуры в пределах от 170К до 570К.
Применение:
Дистанционное измерение температуры, Противопожарная сигнализация.
Фоторезистор.
Слайд «Фоторезистор»
Сопротивление полупроводников зависит не только от температуры. Но и от освещенности. При увеличении освещения сила тока увеличивается так как уменьшается сопротивление. Используют для регистрации слабых световых потоков.
Преимущества:
Миниатюрность, высокая чувствительность.
Применение:
Определение качества обработки поверхности и контроль за размерами изделий.
7. Домашнее задание:
Обобщить материал с помощью таблицы
Полупроводниковые приборы:
Полупроводниковый прибор
Принцип действия
Применение
УРОК 10/10
Тема. Электрический ток в полупроводниках
Цель урока: сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках и о природе электрического тока в полупроводниках.
Тип урока: урок изучения нового материала.
ПЛАН УРОКА
Контроль знаний |
1. Электрический ток в металлах. 2. Электрический ток в электролитах. 3. Закон Фарадея для электролиза. 4. Электрический ток в газах |
|
Демонстрации |
Фрагменты видеофильма «Электрический ток в полупроводниках» |
|
Изучение нового материала |
1. Носители зарядов в полупроводниках. 2. Примесная проводимость полупроводников. 3. Электронно-дырочный переход. 4. Полупроводниковые диоды и транзисторы. 5. Интегральные микросхемы |
|
Закрепление изученного материала |
1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи |
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Удельные сопротивления полупроводников при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале, т. е. от 10-3 до 107 Ом·м, и занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками.
Ø Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро убывает с повышением температуры.
К полупроводникам относятся многие химические элементы (бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.), огромное количество минералов, сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира - полупроводники.
За достаточно низких температур и отсутствия внешних воздействий (например, освещения или нагрев) полупроводники не проводят электрический ток: при этих условиях все электроны в полупроводниках являются связанными.
Однако связь электронов со своими атомами в полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в случае повышения температуры, а так же за яркого освещения некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными зарядами, то есть могут перемещаться по всему образцу.
Благодаря этому в полупроводниках появляются отрицательные носители заряда - свободные электроны.
Ø Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной.
Когда электрон отрывается от атома, положительный заряд этого атома становится некомпенсированным, то есть в этом месте появляется лишний положительный заряд. Этот положительный заряд называют «дыркой». Атом, вблизи которого образовалась дырка, может отобрать связанный электрон у соседнего атома, при этом дырка переместится до соседнего атома, а атом, в свою очередь, может «передать» дырку дальше.
Такое «естафетне» перемещение связанных электронов можно рассматривать как перемещение дырок, то есть положительных зарядов.
Ø Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называют дырочной.
Таким образом, различие дырочной проводимости от электронной заключается в том, что электронная проводимость обусловлена перемещением в полупроводниках свободных электронов, а дырочная - перемещением связанных электронов.
Ø В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток создает одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такую проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.
Если добавить в чистый расплавленный кремний незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после твердения образуется обычная кристаллическая решетка кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния будут находиться атомы мышьяка.
Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Чотиривалентні электроны образуют парные электронные связи с соседними атомами кремния. Пятом же валентному электрону связи не хватит, при этом он будет слабо связан с атомом Мышьяка, который легко становится свободным. В результате каждый атом примеси даст один свободный электрон.
Ø Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными.
Электроны из атомов кремния могут становиться свободными, образуя дыру, поэтому в кристалле могут одновременно существовать и свободные электроны и дырки. Однако свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок.
Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n -типа.
Если в кремний добавить незначительное количество трехвалентного индия, то характер проводимости полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три валентных электрона, то он может установить ковалентная связь только с тремя соседними атомами. Для установки связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий «одолжит» электрон у соседних атомов, в результате каждый атом Индия образует одно вакантное место - дырку.
Ø Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными.
В случае акцепторной примеси основными носителями заряда при прохождении электрического тока через полупроводник есть дыры. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р -типа.
Практически все полупроводники содержат и донорные, и акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника определяет примесь с более высокой концентрацией носителей заряда - электронов и дырок.
Следовательно, через границу раздела полупроводников n -типа и р-типа электрический ток идет только в одном направлении - от полупроводника p -типа к полупроводнику n -типа.
Это используют в устройствах, которые называют диодами.
Полупроводниковые диоды используют для выпрямления переменного тока направлении (такой ток называют переменным), а также для изготовления светодиодов. Полупроводниковые выпрямители имеют высокую надежность и длительный срок использования.
Широко применяют полупроводниковые диоды в радиотехнических устройствах: радиоприемниках, видеомагнитофонах, телевизорах, компьютерах.
Еще более важным применением полупроводников стал транзистор. Он состоит из трех слоев полупроводников: по краям расположены полупроводники одного типа, а между ними - тонкий слой полупроводника другого типа. Широкое применение транзисторов обусловлено тем, что с их помощью можно усиливать электрические сигналы. Поэтому транзистор стал основным элементом многих полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые диоды и транзисторы являются «кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют интегральными микросхемами.
Микросхемы «работают» сегодня в компьютерах и телевизорах, в мобильных телефонах и искусственных спутниках, в автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах. Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния. Размер пластинки - от миллиметра до сантиметра, причем на одной такой пластинке может размещаться до миллиона компонентов - крошечных диодов, транзисторов, резисторов и т. др.
Важными преимуществами интегральных схем является высокое быстродействие и надежность, а также низкая стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но доступные многим приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники.
ВОПРОСЫ К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Первый уровень
1. Какие вещества можно отнести к полупроводниковым?
2. Движением каких заряженных частиц создается ток в полупроводниках?
3. Почему сопротивление полупроводников очень сильно зависит от наличия примесей?
4. Как образуется p -n -переход? Какое свойство имеет p -n -переход?
5. Почему свободные носители зарядов не могут пройти сквозь p -n -переход полупроводника?
Второй уровень
1. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок?
2. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода?
3. Можно ли получить р-n -переход, выполнив вплавления олова в германий или кремний?
ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
1. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы?
2. Какая проводимость (электронная или дырочная) будет в кремния, если к нему добавить фосфор? бор? алюминий? мышьяк?
3. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация атомов Фосфора и Галлия одинакова. (Ответ: увеличится)
ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ
· Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро снижается с повышением температуры.
· Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной.
· Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называют дырочной.
· Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными.
· Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n -типа.
· Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными.
· Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа.
· Контакт двух полупроводников с различными видами проводимости имеет свойства хорошо проводить ток в одном направлении и значительно хуже в противоположном направлении, то есть имеет одностороннюю проводимость.
Рів1 № 6.5; 6.7; 6.15; 6.17.
Рів2 № 6.16; 6.18; 6.24, 6.25.
Рів3 № 6.26, 6.28; 6.29; 6.30.
3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 4.
Аукцион с использованием опорных слов как методический приём для актуализации опорных знаний, применение ИКТ, игровые моменты, позволяющие поменять виды деятельности на уроке, индивидуальная работа при закреплении изученного материала и последующая взаимопроверка выполненных заданий - всё это элементы, делающие обычный урок чуть интереснее.
Разработка урока по физике
Тема урока : Электрический ток в полупроводниках.
Цели урока:
Дидактическая - Познакомить учащихся с особым классом веществ – полупроводниками, ввести понятия собственной и примесной проводимости, изучить зависимость электропроводимости полупроводников от температуры и наличия примесей.
Развивающая: Способствовать расширению кругозора учащихся, развивать способность к восприятию и анализу технической и научной информации, умение пользоваться технической терминологией.
Воспитательная: Формировать ответственное отношение к приобретению знаний, навыки общения и самодисциплины.
МТО урока : медиа оборудование, презентация «Электрический ток в полупроводниках», содержащая анимационное пояснение к изучаемому материалу, карточки с ключевыми словами, раздаточный дидактический материал для самостоятельной работы.
Межпредметные связи. Химия. Темы: Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. Ковалентная связь.
Тип урока : Урок усвоения новых знаний на основе имеющихся.
Методы и приёмы : аукцион с использованием опорных слов, применение ИКТ, использование игровых моментов для создания здоровье сберегающих условий, фронтальный опрос, индивидуальная работа, взаимопроверка.
План урока .
1. Организационный момент.
2. Актуализация опорных знаний.
3. Изучение нового материала.
3.1. Полупроводники.
3.2. Собственная проводимость полупроводников;
3.3. Примесная проводимость;
3.3.1. Донорные примеси;
3.3.2. Акцепторные примеси.
4. Закрепление изученного материала.
5. Домашнее задание.
6. Подведение итогов урока. Оценка работы учащихся.
Ход урока.
1. Организационный момент.
2. Актуализация опорных знаний (опрос в форме аукциона с использованием карточек с ключевыми словами).
Методика проведения аукциона .
Преподаватель показывает карточку с ключевыми словами (словом), а учащиеся высказываются в соответствии с заданной темой, не вдаваясь в подробности. Каждый правильный ответ – балл в копилку учащегося (карточка временно остаётся у него для подсчёта баллов в дальнейшем).
Карточка. Электрический ток
Ответ . Электрическим током называется упорядоченное направленное движение свободных заряженных частиц.
Карточка . Постоянный электрический ток.
Ответ . Электрический ток, не меняющийся ни по величине, ни по направлению называется постоянным током.
Карточка . Направление постоянного тока.
Ответ . За направление постоянного тока принято направление движения положительно заряженных частиц, т.е. от «+» к «-».
Карточка. Условия существования тока
Ответ . Для существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и сил, которые приводили бы эти частицы в направленное движение. Например, силы электрического поля.
Карточка. Группы веществ по электропроводимости.
Ответ . По электропроводимости вещества делятся на проводники и диэлектрики.
Карточка . Проводники.
Ответ . Проводники – это вещества, хорошо проводящие ток.
Карточка . Диэлектрики
Ответ. Диэлектрики – это вещества, не проводящие ток.
3. Изучение нового материала в сопровождении презентации.
- Записываем в тетради тему урока (слайд 1).
Мотивация к дальнейшему изучению темы (слайд 2).
Знакомимся с целями данного урока (слайд 3).
Корректируем свои представления о группах веществ по электропроводимости (слайд 4).
Записываем в тетрадь
По электрической проводимости вещества можно разделить на 3 основные группы: проводники, диэлектрики, полупроводники.
Проводники, которые хорошо проводят электрический ток (металлы, растворы электролитов, плазма и др.) Наиболее используемые проводники – Au, Ag, Cu, Al, Fe .
Диэлектрики – вещества, которые практически не проводят электрический ток (пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага и др.)
3.1. Полупроводники
Записываем в тетрадь.
Полупроводники – вещества, проводящие ток только при определённых условиях.
Их электропроводимость зависит от температуры, освещённости, наличия примесей (Si , Ge , Se , In , As и др.).
По электрической проводимости они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (Si, Ge, Se, In, As и др.) Кроме 12 чистых химических элементов, полупроводниками являются сернистый свинец, сернистый кадмий, закись меди, многие оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в технике имеют германий Ge и кремний Si (слайды 4,5,6).
Ещё чуть более полувека назад полупроводники не имели заметного практического значения. В электротехнике и радиотехнике обходились исключительно проводниками и диэлектриками. Но положение резко изменилось, когда теоретически, а затем и практически была открыта возможность управлять электрической проводимостью полупроводников.
В чём же главное отличие полупроводников от проводников, и какие особенности их строения позволили широко использовать полупроводниковые приборы практически во всех электронных устройствах?
3.2. Собственная проводимость
Записываем в тетрадь.
Проводимость чистых полупроводников называют собственной проводимостью .
Ещё раз вспоминаем условия существования тока. Повторяем механизм электропроводимости металлов, акцентируя внимание на роли электрического поля (слайд 8).
Ответ учащихся
Для существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и сил, которые приводили бы эти частицы в направленное движение. Это могут быть силы электрического поля, которое приводит электроны в упорядоченное движение.
Рассмотрим проводимость полупроводников на примере кремния Si (слайд 9).
Кремний – четырёхвалентный химический элемент. Каждый атом кремния во внешнем электронном слое имеет по четыре неспаренных электрона, которые образуют электронные пары (ковалентные связи) с четырьмя соседними атомами. Таким образом, в полупроводнике отсутствуют свободные заряженные частицы, способные создавать ток.
Но так бывает при обычных условиях, при невысоких температурах.
- Что произойдёт, если увеличить температуру вещества (слайд 10)?
При увеличении температуры энергия и скорости движения электронов увеличиваются и некоторые из них отрываются от своих атомов, становясь свободными электронами . Оставшиеся вакантные места с некомпенсированным положительным зарядом (виртуальные заряженные частицы ), называют дырками. Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток.
Чтобы понять, как же перемещаются дырки (вакантное место), проводим игру «Пустой стул» .
Методика проведения игры .
Суть игры заключается в следующем. На одном из рядов за первой партой освобождаем стул. Это исходная позиция. Учащийся, сидящий за второй партой, пересаживается на него. Таким образом, свободный стул оказывается уже не за первой, а за второй партой. Теперь учащийся, сидящий за третьей партой, занимает освободившееся место, и пустым оказывается стул за третьей партой и т.д. Таким образом, вакантное место – пустой стул (в полупроводнике это дырка) перемещается всё дальше и дальше от первой парты, двигаясь в сторону противоположную движению участников игры (в полупроводнике – в сторону, противоположную движению электронов).
Игра помогает снять напряжение и продолжить дальнейшее успешное изучение учебного материала.
Записываем в тетрадь.
Электрический ток в чистых полупроводниках создаётся свободными электронами и дырками, которых одинаковое количество.
Это собственная проводимость полупроводников.
При увеличении температуры число свободных электронов и дырок становится больше, проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается.
Записываем в тетрадь.
При увеличении температуры проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается.
Задание учащимся.
Сравните и объясните графики зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры (слайд 11).
Ответы учащихся по слайду.
При увеличении температуры сопротивление металлов возрастает. Это объясняется тем, что при увеличении температуры ионы в узлах кристаллической решётки колеблются интенсивнее, хаотичность движения свободных электронов возрастает, и суммарный заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в единицу времени уменьшается.
При увеличении температуры сопротивление полупроводников уменьшается. Это объясняется тем, что при нагревании полупроводников в них становится больше свободных носителей заряда, что приводит к увеличению силы тока, а это равносильно уменьшению сопротивления.
3.3 Примесная проводимость полупроводников (слайды 12,13,14).
Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического применения полупроводников. Поэтому для увеличения проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют), которые бывают донорные и акцепторные
Записываем в тетрадь
Проводимость полупроводников с добавлением примесей называется примесной проводимостью. Примеси бывают донорные и акцепторные
3.3.1. Донорные примеси.
Если добавить в чистый расплавленный кремний незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после твердения образуется обычная кристаллическая решетка кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния будут находиться атомы мышьяка.
Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Четырёхвалентные электроны образуют парные электронные связи с соседними атомами кремния. Пятому валентному электрону связи не хватит, при этом он будет слабо связан с атомом Мышьяка, который легко становится свободным. В результате каждый атом примеси отдаст один свободный электрон.
Электроны из атомов кремния могут становиться свободными, образуя дырку, поэтому в кристалле могут одновременно существовать и свободные электроны и дырки. Однако свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок.
Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа.
Записываем в тетрадь
Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными (полупроводник n -типа).
3.3.2. Акцепторные примеси
Если в кремний добавить незначительное количество трехвалентного индия, то характер проводимости полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три валентных электрона, то он может установить ковалентную связь только с тремя соседними атомами. Для установления связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий «одолжит» электрон у соседних атомов, в результате каждый атом Индия образует одно вакантное место - дырку.
В случае акцепторной примеси основными носителями заряда во время прохождения электрического тока через полупроводник являются дырки. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа.
Записываем в тетрадь
Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными (полупроводник р-типа).
4. Закрепление изученного материала .
4.1. Фронтальный опрос (слайд 16).
Что такое полупроводники?
Какими частицами создаётся ток в полупроводниках?
Чем примесная проводимость отличается от собственной проводимости?
Для чего легируют чистые полупроводники?
Что такое полупроводник р – типа?
Что такое полупроводник n – типа?
Почему с увеличением температуры сопротивление полупроводников падает?
4.2. Самостоятельная работа по карточкам .
Установите соответствие, какие физические термины и высказывания необходимы для рассказа по темам «Электрический ток в металлах», «Электрический ток газах», «Электрический ток в растворах электролитов», «Электрический ток в полупроводниках»?
Условие: при выполнении работы исправления не допускаются .
Металлы Газы Растворы электролитов Полупроводники
1. Ионы, 2. Электроны, 3. Примеси, 4. Дырка, 5. Сопротивление возрастает с ростом температуры, 6. Рекомбинация, 7. При нагревании сопротивление уменьшается, 8. Проводник, 9. Кристаллическая решётка, 10. Электрическая дуга, 11. Самостоятельный разряд,12. Огни святого Эльма, 13. Донорная, 14. Диэлектрик, 15. Электронное облако, 16. Вакуумный диод, 17. Газоразрядная трубка, 18. Акцепторная, 19. Собственная проводимость, 20. Вакуум, 21. Сверхпроводимость, 22. Ионизация, 23. Электролитическая диссоциация, 24. Электроды, 25.Электролиз, 26. Кинескоп, 27. Гальванопластика.
После выполнения задания учащиеся обмениваются карточками и проверяют друг друга, делая исправления , оценивая работу товарища.
Затем работы проверяются ещё раз с помощью ключа и передаются преподавателю.
Ключ к заданию
Металлы – 1, 2, 5, 8, 9, 21.
Газы – 1,2,6,7,10,11,12,14,17,22.
Растворы электролитов – 1,6,7,23,24,25,27.
Полупроводники – 1,2,3,4,7,9,13,18,19.
5. Домашнее задание:
1. Подготовить сравнительную таблицу «Электрический ток в различных средах».
2. Подготовить сообщение «Первое практическое применение полупроводниковых термоэлементов в годы ВОВ» («Партизанский котелок») – по желанию.
6. Подведение итогов. Оценка работы учащихся.
Использованная литература
Физика: Учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений/ Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский-- 12- е изд.-М. : Просвещение, 2010. - 336 с.,: ил.-ISBN 5-01 011578-8.
Электронный учебник «Открытая физика», Физикон
По технологии на тему: «Полупроводниковый диод»
МБОУ «ООШ №16»
г. Гусь-Хрустальный.
План - конспект урока
по технологии
на тему: «Полупроводниковый диод»
Учитель технологии
План-конспект урока
Тема урока: «Полупроводниковый диод»
Цели урока:
1. Обучающие:
1.1. Ознакомить учащихся:
С устройством полупроводникового диода;
С технологией изготовления полупроводникового диода;
С принципами работы полупроводникового диода;
С применением полупроводникового диода на практике, в быту, в производстве;
Со схемой выпрямления переменного тока.
2. Развивающие:
2.1. Способствовать развитию познавательного интереса к предмету.
2.2. Способствовать овладению основными способами мыслительной деятельности.
3. Воспитательные:
3.1. Способствовать формированию трудовых качеств личности.
Методическое оснащение урока.
1. Материально-техническая база:
Компьютерный класс;
Мультимедиа-проектор;
Набор полупроводниковых диодов;
Электрическая батарейка, лампочка, соединительные провода.
2. Дидактическое обеспечение:
- «Радиоэлектроника, автоматика и элементы ЭВМ», М., «Просвещение», 1990;
- «Методика трудового обучения», М., «Просвещение», 1997;
- «Школа и производство» № 1, 2005;
- «Практикум по радиотехнике», М., «Просвещение»,1996;
Тест «Полупроводниковый диод».
Ход урока
1. Организационный момент.
2. Повторение пройденного материала по теме «Полупроводники».
Чтобы проверить пройденный материал и подготовить учащихся к усвоению нового материала, целесообразно задать им следующие вопросы:
1. Какие элементы относятся к полупроводникам?
2. Как происходит собственная проводимость?
3. Как происходит примесная проводимость?
4. За счет чего появляются свободные электроны?
5. Где больше проводимость в металлах или в полупроводниках?
6. Какие полупроводники являются основными?
3. Изложение нового материала о полупроводниковом диоде и схеме выпрямления переменного тока.
Полупроводниковый диод – это устройство, которое пропускает электрический ток только в одном направлении.
Устройство диода: берут кристалл кремния, обладающий проводимостью n-типа. В одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие атомов индия вглубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область с проводимостью p-типа. Остальная часть образца германия, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа.
Между двумя областями с проводимостями разных типов возникает p-n-переход (демонстрация слайда № 1).
Получить p-n-переход не удается путем механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор. Толщина p-n-перехода должна быть не более межатомных расстояний. Для предотвращения вредных воздействий кристалл помещают в герметичный металлический корпус.
На электрических схемах полупроводниковый диод обозначается (демонстрация слайда № 2).
Современные полупроводниковые диоды имеют вид: (демонстрация слайда № 3).
(После этого учитель демонстрирует образцы полупроводниковых диодов).
Любой полупроводниковый диод характеризуется прямым максимальным током Iпр. маx. и обратным максимальным напряжением Uобр. max..Если ток через диод будет больше максимального тока, то p-n-переход выйдет из строя (расплавится). Если обратное напряжение будет больше максимального напряжения, которое может выдержать диод, то p-n-переход пробьется электрическим зарядом. В обоих случаях полупроводниковый диод выйдет из строя.
Подключение диода к постоянной электрической цепи.
Подключим полупроводниковый диод к источнику питания таким образом (демонстрация слайда № 4).
При таком подключении электрический ток через диод и нагрузку проходить не будет, так как нет носителей заряда через p-n-переход. Его сопротивление в этом случае будет очень большим. Говорят, что диод находится в запирающем состоянии.
Поменяем полярность источника питания. При таком подключении электрический ток проходит через диод и через нагрузку.
Говорят, что диод находится в открытом состоянии (демонстрация слайда № 5).
Схема выпрямления электрического тока.
Постоянный электрический ток можно получить при включении диода в цепь с переменным напряжением (демонстрация слайда № 6).
Рассмотрим на графике, как происходит выпрямление переменного тока (демонстрация слайда № 7).
Такое выпрямление переменного тока называется однополупериодным выпрямлением. Ток в этом случае называется пульсирующим.
Данное выпрямление переменного тока имеет широкое применение, например: если диод Д226Б включить по данной схеме, а вместо нагрузки взять лампочку мощностью 100 Вт, то такая лампочка будет гореть 7-10 лет. Схему называют схемой «вечной лампочки».
4. Закрепление нового учебного материала.
Учащиеся зарисовывают в тетрадях схему выпрямления (демонстрация слайда № 8). Далее учащимся предлагается на компьютерах в программе Elektronish Workbench составить такую схему как на слайде и получить на дисплее осциллографа выпрямленное напряжение. Чтобы сгладить пульсации выпрямленного тока к нагрузке Rn можно подключить параллельно конденсатор и рассмотреть полученное выпрямленное напряжение. Сравнить результаты.
(Учащимся может быть предложен тест «Полупроводниковый диод»).
5. Заключительная часть.
Учитель подводит итоги урока, называет главные вопросы, которые учащиеся должны хорошо знать:
Определение диода;
Устройство диода;
Подключение диода к постоянной электрической цепи;
Подключение диода к переменной электрической цепи;
Схему «вечной лампочки».
Учитель объявляет оценки за устные ответы и самостоятельную работу на компьютере.
