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.
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.
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.
ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА
Раздел 2 Тема 2.5 Полупроводниковые приборы
(Тема урока)
ФИО (полностью)
Дилигенская Юлия Владимировна
Место работы
БПОУ ВО «Череповецкий лесомеханический техникум им. В.П. Чкалова»
Должность
Преподаватель
Профессиональный модуль ПМ 01. Организация технического обслуживания и ремонта электрического и электромеханического оборудования
МДК 01.05 Типовые электрические схемы и функциональные узлы электронных и вычислительных устройств
ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
Литература
Основная
1.Тугов Н. М. , Глебов Б.А., Чарыков Н.А.Полупроводниковые приборы- М.: Издательский центр «Академия,» 2004.-240 с
2.Миклашевский С.П., Промышленные элементы электронных схем. М: Высшая школа, 2006- 214 с.
Справочная
1.Диоды, транзисторы, оптоэлектронные приборы: Справочник , М.: Издательский центр «Академия,» 2005
2. Дидактический материал по общей электротехнике с основами электроники, Учебное пособие- М: Высшая школа. 2006 – 108 с
5.Цель урока:
Ознакомить обучающихся с разновидностями полупроводниковых приборов;
Дать представление о функциональном назначении каждого прибора;
Показать практическое значение полупроводниковых приборов в специальности.
6. Задачи:
- обучающие
помочь студентам изучить классификацию полупроводниковых приборов;.
-развивающие
развивать познавательный интерес студентов.
-воспитательные
воспитать информационную культуру студентов.
7.Тип урока – усвоения новых знаний
8.Формы работы учащихся – индивидуальная и групповая.
9.Необходимое техническое оборудование – мультимедийный компьютер преподавателя, видеопроектор,
Структура и ход урока
Таблица 1.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА УРОКА
Этап урока
Название используемых ЭОР
(с указанием порядкового номера из Таблицы 2)
Деятельность преподавателя
Деятельность студента
Время
(в мин.)
Организационно-мотивационный
1. Схема устройства компьютера
Приветствует студентов. Проверяет подготовку учащихся к уроку и выполнение домашнего задания.
Формулирует тему урока и раскрывает цели урока.
Задает вопросы, мотивирующие учащихся на изучение новой темы:
Какие виды электронных схем вы знаете?
Какие типы полупроводниковых приборов вам известны?
Перечислите характеристики полупроводниковых материалов?
Обобщает ответы студентов, переходя к основной части урока.
Приветствуют преподавателя демонстрируют домашнюю работу в тетрадях.
Слушают и осмысливаю цели занятия, записывают дату и тему урока в тетрадях
Отвечают на поставленные вопросы.
Анализируют представленную на слайде информацию.
Основная часть:
Этап передачи новых знаний
2. Основные устройства полупроводниковых приборов
3. Характеристики диодов
4.Характеристики транзисторов
5. Характеристики микросхем
Лекция. (Демонстрация интерактивной презентации)
Обращает внимание на различие назначения и характеристик полупроводниковых приборов, используя видеофрагмент.
Указывает на конструкцию полупроводниковых приборов, выведя на экран схему, отражающую основные функциональные компоненты. полупроводниковых приборов
Рассказывает о каждом
полупроводниковом приборе
1) Диоды
Обращает внимание на то, что в основе свойств полупроводниковых материалов лежат общие принципы работы приборов
2) Транзисторы.
3)Микросхемы.
Слушают объяснение нового материала, делают записи в тетрадях.
Осмысливают новую информацию.
Изучают представленную схему, задают вопросы.
Чертят схемы в тетрадях.
Обсуждают, представленную на слайде информацию, демонстрируют свои знания из дисциплины « Физика» по характеристикам полупроводниковых приборов
Этап усвоения новых знаний
7 .Применение полупроводниковых приборов в специальности
Предлагает самостоятельно изучить понятие и назначение:
4) Полевые транзисторы в коммутационной аппаратуре.
Работа с учебником, выполнение записей в тетрадях. После изучения данного материала уясняют не понятные моменты.
Закрепления нового материала
Группа разбивается на бригады. Преподаватель каждой бригаде раздает карточки с ключевыми словами, которые надо дополнить терминами, по теме урока
Проверяет правильность выполнения задания
Каждая бригада работает над заданием, стараясь справиться с ним первой.
Подведения итогов урока
Оценивает деятельность студентов. Подводит общий итог урока.
Задает домашнее задание.
Благодарит студентов за урок.
Слушают и осмысливают итоги урока. Записывают домашнее задание в дневниках. Выражают отношение к уроку.
Полупроводники
Полупроводники – большой класс веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широких пределах от 10 -5 до 10 10 Ом∙м .
Полупроводники обладают промежуточными свойствами между металлами и диэлектриками. Характерным для полупроводников является не величина удельного сопротивления, а то, что она под воздействием внешних условий изменяется в широких пределах.
К полупроводникам относятся :
а) элементы III, IV, V и VI групп периодической системы элементов, например Si , Ge , As , Se , Te ;
б) сплавы некоторых металлов;
в) оксиды (окислы металлов);
г) сульфиды (сернистые соединения);
д) селениды (соединения с селеном).
Сопротивление полупроводников зависит от:
а) температуры;
б) освещённости;
в) наличия примесей.
Электрическое сопротивление полупроводников уменьшается и при освещении их светом.
1. Собственная проводимость полупроводников.
Собственная проводимость – электрическая проводимость химически чистого полупроводника.
В типичном полупроводнике (кристалле кремния Si
) атомы объединены ковалентной (атомной) связью
. При комнатной температуре средняя энергия теплового движения атомов в кристалле полупроводника составляет 0,04 эВ
. Это значительно меньше энергии, необходимой для отрыва валентного электрона, например, от атома кремния (1,1 эВ
). Однако вследствие неравномерности распределения энергии теплового движения или при внешних воздействиях некоторые атомы кремния ионизируются. Образуются свободные
электроны
и вакантные места в ковалентной связи – так называемые дырки
. Под воздействием внешнего электрического поля возникает упорядоченное движение свободных электронов и упорядоченное движение в противоположном направлении такого же количества дырок.
Электронная проводимость или проводимость n -типа (от лат. negative – отрицательный) – проводимость полупроводников, обусловленная электронами.
Дырочная проводимость или проводимость p -типа (от лат. positive – положительный) – проводимость полупроводников, обусловленная дырками.
Таким образом, собственная проводимость полупроводника обусловлена одновременно двумя типами проводимости – электронной и дырочной .
2. Примесная проводимость полупроводников.
Примесная проводимость – электрическая проводимость полупроводников, обусловленная наличием примесей (примеси – атомы посторонних элементов).
Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 10 6 раз.
В основном, атомы примеси имеют валентность, отличающуюся на единицу от валентности основных атомов.
Донорные примеси – примеси с большей валентностью, сообщающие полупроводнику электронную проводимость .
Полупроводник (кремний) + донор (мышьяк) = полупроводник n -типа.
Акцепторные примеси – примеси с меньшей валентностью, сообщающие полупроводнику дырочную проводимость .
Полупроводник (кремний) + акцептор (индий) = полупроводник р -типа.
3. Полупроводниковые диоды и триоды. Их применение.
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств p - n -перехода.
Электронно-дырочный переход
(или p
-
n
–переход
) – граница соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости.
Через границу раздела происходит диффузия электронов и дырок, которые встречаясь рекомбинируют.
На границе раздела в электронном полупроводнике остаются положительные ионы донорной примеси, а в дырочном образуются отрицательные ионы акцепторов. Образуется так называемый запирающий слой
(двойной электрический слой), напряжённость которого Е
зап
направлена от электронного полупроводника к дырочному. Через этот двойной слой могут прорваться из n
-полупроводника в p
-полупроводник только такие электроны, которые обладают для этого достаточно большими энергиями. Внешнее электрическое поле, приложенное к двум разнородным полупроводникам, в зависимости от своего направления может и ослаблять поле запирающего слоя.
Запирающий слой обладает односторонней проводимостью
: запирающий слой пропускает ток в направлении, противоположном полю запирающего слоя, и не пропускает ток в направлении, совпадающем с полем запирающего слоя.
Полупроводниковый диод – прибор с одним p - n -переходом.
Вольт-амперная характеристика – зависимость силы тока I от напряжения U , приложенного к диоду.
Полупроводниковый триод (или транзистор) – прибор с двумя p - n -переходами.
Транзисторы (как и ламповые триоды) служат для усиления слабых электрических сигналов.
Контрольные вопросы
1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Чем отличаются полупроводники от проводников и диэлектриков?
3. От чего зависит электропроводность полупроводников?
4. Какие свойства полупроводников используются в термо- и фоторезисторах?
5. Каков механизм собственной проводимости полупроводников?
6. Как образуются свободные электроны и дырки?
7. Каков механизм примесной проводимости полупроводников?
8. Какие примеси называются донорными, а какие – акцепторными?
9. Как объяснить одностороннюю проводимость p - n -перехода?
10. Какова вольт-амперная характеристика p - n -перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.
11. Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?
12. Что такое полупроводниковый триод (или транзистор)?
