CC BY
104
Гашимов Х. Х.
Азербайджанский государственный педагогический университет
МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ТЕМЫ «СОБСТВЕННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ» В IX КЛАССЕ КУРСА ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ
Собственная электропроводность полупроводников. Цели урока.
1. Сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках и о природе электрического тока в чистых полупроводниках с точки зрения электронной теории.
2. Дать понятие о физической природе зависимости сопротивления полупроводников от температуры и облучения (освещения).
Оборудование:
Таблица «Периодическая система элементов Д. И. Менделеева», школьный набор полупроводников, гальванометр, батарея аккумуляторов, магазин сопротивлений, электроплитка, два штатива, соединительные провода, термометр, реостат, фрагмент «Собственная проводимость полупроводников» из электронного учебника (4).
План урока
Изучение нового материала. Распространенность полупроводников в природе (анализ таблицы «Периодическая система элементов Д. И. Менделеева» (рис.1). Строение атомных кристаллов (германий или кремний): ковалентная связь (рис.5.19 из учебника. 2, стр. 117), расположение атомов в кристаллической решетке.
Собственная электропроводность полупроводниковых материалов: возникновение свободных электронов и «дырок», «поведение» электронов и «дырок» в электрическом поле. Зависимость электропроводности полупроводника от температуры (демонстрационный эксперимент рис.5 или решение задачи № 1. 3, стр. 64). Зависимость электропроводности полупроводника от облучения (демонстрационный эксперимент. см. рис. 5.36-5.37. 2, стр. 129).
Домашнее задание: §5.6.
Методические замечания
Проводимость полупроводников рассматривается с точки зрения электронной теории. Указывается, что понятие «дырка» носит условный характер. Фактически движение «дырки» - это движение связанного (валентного) электрона от одного атома к
другому. В отличие от свободных электронов электроны, обеспечивающие дырочный ток, обладают меньшей энергией (см. рис. 5.20-5.21. 2, стр. 119. ).
С помощью схемы (рис. 4) рассматривается движение электронов и «дырок» в случае собственной электропроводности полупроводника, которая обеспечивается перемещением электронов в одном направлении, а «дырок» в противоположном (электрон и «дырка» принадлежат собственным атомам полупроводника). Общий ток слагается из электронного 1э и дырочного IД токов: I = IЭ + IД. Число «дырок» NД и электронов NЭ в случае собственной проводимости одинаково. Однако, из-за того что подвижность (скорость) электронов больше подвижности (скорости) «дырок», I < IЭ .
Экспериментальное выяснение зависимости сопротивления от температуры может быть осуществлено как в виде демонстрационного эксперимента, так и в виде фронтального лабораторного опыта. Во втором случае в качестве оборудования используются реохорд, батарея аккумуляторов, магазин сопротивлений, термистор ММТ, сосуд от калориметра, вода, термометр, штативы, электроплитка, соединительные провода. Эксперимент проводится в следующей последовательности.
1. Собирается электрическая цепь (рис. 5).
2. Находится нулевая точка на реохорде и фиксируются длины плеч.
3. Подогревается сосуд с водой, в которую помещен термистор и через каждые 100 С отыскивается нулевая точка. Одновременно замеряются длины плеч реохорда.
4. Данные вносятся в таблицу:
5. Строится график зависимости сопротивления полупроводника от температуры.
6. Полученный график объясняется с точки зрения электронной теории.
7. Сравнивается полученный результат с зависимостью удельного сопротивления металла от температуры (рис.6).
П олупровс дкиков Метал
рис .6
Зависимость сопротивления полупроводников от облучения (освещения) удобно провести экспериментальным путем (см. рис.5,16. 2, стр. 117).
На уроке следует привести условные обозначения термистора и фоторезистора, а также продемонстрировать фрагмент «Собственная проводимость полупроводников», из электронного учебника (4).
Физическая природа примесной электропроводности полупроводников
Цель урока: Сформировать представления о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории.
Оборудование: Фрагмент «Примесная проводимость полупроводников» из электронного учебника «Физика. III часть», полупроводниковый термоэлемент на подставке, гальванометр демонстрационный от вольтметра, нагреватель (паяльник или спиртовка), соединительные провода.
Изучение нового материала. Полупроводниковые материалы с электронной проводимостью (наличие пятивалентного атома сурьмы Sb в кристалле четырехвалентного германия Ge, анализ рис.7 природа носителей электрического заряда в полупроводниковых материалах с донорной примесью) экспериментальная проверка знака заряда доноров ( реш. зад. №8. 3, стр.65). Объяснение опыта с помощью рис.8.
: ен* еъ- + +
= о-* + +
Ш
Рис.7
рис .8
Донорные примеси: для германия - элементы V группы (фосфор Р, мышьяк As, сурьма Sb) и I группы (литий Li, золото Аи); для кремния - элементы I группы (литий Li, медь Си, золото Аи), VII группы (марганец Мп), VIII группы (железо Fe), V группы
(фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb, висмут Bi). Условное обозначение полупроводников с электронной проводимостью (п-тип).
Полупроводниковые материалы с дырочной проводимостью (наличие в кристалле германия атомов четырехвалентного индия 1п), анализ рис.9, природа носителей электрического заряда в полупроводниковых материалах с акцепторной примесью, экспериментальная проверка знака заряда «дырки» с помощью демонстрации (зад. №10. 3, стр.65) объяснение опыта с помощью рис.10.
Акцепторные примеси: для германия элементы IV группы (бор В, алюминий А1, галлий Ga, индий 1п, таллий Т1), I группы (медь Си, золото Аи), II группы (цинк Zn), VII группы (марганец Мп), VIII группы (никель №, железо Fe, кобальт Со, платина Р^. Условное обозначение полупроводников с дырочной проводимостью (р-тип).
Просмотр фрагмента «Примесная проводимость полупроводников» из электронного учебника «Полупроводники и их применение» (5).
Решение Задача; № 7-11. 4,стр.65.
Домашнее задание; № 12-13-16. 3, стр.65-66.
Методические замечания
Для объяснения донорной и акцепторной проводимости используются двумерные модели пространственных решеток.
В случае донорной проводимости четыре валентных электрона сурьмы вступают в связь с четырьмя атомами германия. Пятый не связан. Взаимодействие этого электрона с ядром уменьшается, и в результате даже малых возбуждений он выходит из области взаимодействия с ядром и становится свободным. При подключении такого полупроводника к источнику тока появляется ток, в котором свободные носители заряда перемещаются против направления электрического поля. Ионизированные атомы сурьмы локализованы и в переносе заряда не участвуют.
Раскрывая природу проводимости донорных полупроводников, нужно отметить, что в них существует еще ток, обусловленный собственным полупроводником. Однако он много меньше тока, обусловленного примесной проводимостью. Для наглядности здесь уместно использовать рис.11 и дать условное обозначение полупроводника с электронной проводимостью (п-тип).
Двумерная модель кристаллической решетки с акцепторной примесью представлена на рис.11. В данном случае установление четырехвалентной связи с узлами кристаллической решетки германия приводит к тому, что атом индия захватывает электрон у одного атома германия. В результате индий ионизируется отрицательно и локализуется в одном из узлов решетки. Атом германия, потерявший электрон, становится положительным ионом, т. е. появляется незаполненная связь - «дырка». Такой полупроводник, помещенный в электрическое поле, проводит ток, который преимущественно обусловлен «дырками».
Чтобы у учащихся не складывалось мнение, что «дырки» - реально существующие носители электрического заряда, следует разъяснить, что дырочный ток фактически обусловлен перемещением связанных валентных электронов. Рис.12 позволяет условно представить дырочный ток в полупроводнике с акцепторной примесью.
Надо привести условное обозначение полупроводника с акцепторной примесью (р-
тип).
Знак заряда основных носителей электричества в полупроводниках с примесной проводимостью определяется на основе термоявлений. Предварительно с помощью батарейки устанавливают, в какую сторону отклоняется стрелка гальванометра при подключении «+» источника к «+» прибора и «-» источника к «-» прибора. После этого собирается опытная установка. Коснувшись горячим электропаяльником полупроводника, обнаруживаем отклонение стрелки гальванометра. Привлекая для анализа рисунок 10, можно объяснить, что при нагреве полупроводника п-типа электроны диффундируют вправо, что приводит к появлению тока, направленного во внешней цепи слева направо.
В случае полупроводника р-типа нагрев приводит к тому, что вырываются из валентных связей электроны. Это вызывает появление большого числа «дырок» заполнить, которые устремляются валентные электроны справа, что приводит к диффузии «дырок» вправо.
Просмотр фрагмента «Примесная проводимость полупроводников» из электронного учебника способствует наглядному представлению процессов, происходящих в полупроводниках с донорной и акцепторной проводимостью.
р - п-переход. Полупроводниковый диод
Цель урока: 1. Раскрыть физическую сущность р - п- перехода с точки зрения электронных представлений.
2. Научить учащихся объяснять работу полупроводникового диода, опираясь на знание о физической сущности р - п- перехода.
Оборудование: Полупроводниковые диоды на подставке, демонстрационный гальванометр от амперметра, реостат, аккумулятор, фрагмент «Электронно-дырочный переход» из электронного учебника (5). Таблица «Диод», набор полупроводниковых диодов, демонстрационный вольтметр с добавочными сопротивлениями на 5 В и 250 В, универсальный выпрямитель, два реостата на 1000 Ом и 500 Ом, соединительные провода.
Рис.13 Рис.14
Изучение нового материала. Процессы, происходящие в контакте двух полупроводников п-и р-типа (диффундирование «дырок» и электронов, образование электрического поля в р - п-переходе, анализ рис.13-14). Процессы, происходящие в р - п-переходе при приложении к нему напряжения (демонстрация односторонней проводимости р - п- перехода из электронного учебника анализ явлений, вызывающих запирание и незапирание р-п- перехода по рис. 15-16). Демонстрация фрагмента «Электронно-дырочный переход» из электронного учебника (4).
Задачи: 1. Почему свободные носители зарядов в полупроводнике не могут удержаться в области р - п- перехода?
2. Почему прямой ток в р - п- переходе значительно больше обратного при одинаковом напряжении?
Условное обозначение полупроводникового диода с указанием его полярности.
Снятие вольт - амперной характеристики полупроводникового диода (получение опытных данных с помощью установки, схема которой представлена на рис.17, вычерчивание графика (рис. 18) и объяснение причин нелинейного характера вольт -амперной характеристики).
3. Воспользовавшись графиком (рис. 18), найдите значение сопротивления диода при напряжении 0,2 В в пропускном направлении и при напряжении 600 В в обратном направлении.
Домашнее задание: §5.8-5.9. 2, стр.125; реш. зад. №2,5. 3, стр.66.
Методические замечания
Образование двойного электрического поля на границе полупроводников п -и р -типа рассматривается с помощью плоскостных моделей (рис. 13,14). С точки зрения электронной теории электроны из полупроводника п -типа диффундируют в полупроводник р -типа, образуя слой из электронов справа. Диффундирование «дырок» в полупроводник п -типа обусловлено тем, что валентные (связанные) электроны уходят вправо (в полупроводник р -типа), создавая слева второй электрический слой из «дырок». Таким образом, на границе двух полупроводников устанавливается электрическое поле Е0, которое в дальнейшем притормаживает процесс диффундирования электронов и «дырок».
Затем демонстрируется односторонняя проводимость р - п- перехода. После этого дается объяснение причин, вызывающих запирание и незапирание р - п- перехода. В случае, когда источник тока подключен так, как указано на рис.15, в контактном слое появляется большое число носителей электрического заряда. Это приводит к уменьшению (ослаблению) поля Е0. В этом случае идет большой ток, который называют прямым.
В случае, когда источник тока подключается так, как показано на рис. 16, в контактном слое уменьшается число свободных носителей электрического заряда, а само
поле Е0 возрастает. Все это приводит к тому, что ток, который называют обратным, будет очень мал.
Демонстрация кинофрагмента «Электронно-дырочный переход» позволяет уяснить рассмотренные процессы в динамике.
Приводя условное обозначение полупроводникового диода, следует указать знаки «+» и «-», чтобы учащиеся могли запомнить, при каком подключении диод пропускает ток и при каком нет.
Снятие вольт - амперной характеристики полупроводникового диода осуществляется с помощью установки, схема которой представлена на рис.17. По полученным экспериментальным данным строится график (рис. 18), объяснение которого дается в соответствии с принятым подходом.
Нелинейный характер вольт - амперной характеристики говорит о невыполнимости закона Ома. Анализ решения задачи 6 позволяет оценить и сопоставить величины сопротивлений диода в прямом и обратном направлениях.
Цель урока: Расширить научно-прикладной кругозор уцащихся путем рассмотрения практического применения полупроводниковых материалов в технике и производстве обобщить знания по физике полупроводников.
Оборудование: набор полупроводниковых приборов, нагрузочное сопротивление (реостат на 3000 Ом), трансформатор, электронной осциллограф, гальванометр демонстрационный, вольтметр, фотореле, модель конвейера, соединительные провода.
Изучение нового материала. Устройства и работа однополупериодного полупроводникового выпрямителя (задачи: 1. На рис.19 приведена схема однополупериодного выпрямителя. Как работает полупроводниковый однополупериодный выпрямитель?). демонстрация опыта и снятие осциллограммы, пульсирующий характер тока и его графическое изображение.
Устройство и работа двухполупериодного полупроводникового выпрямителя (з а д а ч и : 2. На рис.20 приведена схема двухполупериодного полупроводникового выпрямителя. Объясните, как работает двухполупериодный полупроводниковый выпрямитель. Приведите график выпрямленного тока). Демонстрация опыта и снятие осциллограммы, пульсирующий характер тока и пути уменьшения пульсаций (с помощью фильтров).
Применение полупроводников в науке и технике
Я-Зк
Рис.19
Работа фотореле (иллюстрация опыта; анализ процессов, сопровождающих работу фотореле). Демонстрация автоматической сортировки деталей по прозрачности ( рис.5.34.
2, стр.128 ).
А
V
\
\
1
V
Чц
2 0 40 60 80
Рис.21
Принцип действия электрического термометра (электрическая схема и иллюстрационный опыта рис.5.33. 2, стр.128 ). Задача 3. На рис.21 приведена температурная характеристика термистора. Какая температура среды, в которую помещен термистор, если миллиамперметр показывает
10 мА, 5 мА, 2 мА? Напряжение на термисторе 18 В.[1000C, 700С, 250С].
Литература
1. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. II. Электричество. Оптика. Физика атома. Пособие для учителей / Под. Ред. А. А. Покровского. Изд. 2-е, перераб. М., 1972.
2. Мургузов М. И., Абдуллаев С. Г., Абдуразагов Р. Р., Алиев Н. А. Физика. 9 класс. Учеб. для общеобр. шк. Баку, 2005.
3. М. Мургузов, С. Абдуллаев, Р. Абдуразагов, Н. Алиуев . Рабочая тетрадь по физике для 9 классов общеобр. шк. Баку, 2008.
4. Мургузов М. И., Абдуразагов Р. Р. Физика. Электронный учебник. III часть. Баку, 2007.
5. Вольштейн С. Л., Качинский А. М., Круглей М. М., Кузей М. С. Уроки физики в 9 классе. Минск, «Нар. Асвета», 1977.
