CC BY
250
г
v.
"ч
11
_J
Валиев Улугбек Кадирович,
старший предподаватель кафедры физики Андижанского государственного университета; Турсунметов Камилжан Ахметович,
профессор кафедры «Физика полупроводников и полимеров» Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека
МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ВАЛИЕВ У.К., ТУРСУНМЕТОВ К.А. ЯРИМУТКАЗГИЧЛАР ФИЗИКАСИ БУЙИЧА МАСАЛАЛАР ЕЧИШ МЕТОДИКАСИ
Мак,олада яримутказгичлар физикасидан масалалар ечиш дарсини ташкил к,илиш, утказиш ва масала ечиш методикаси баён килинган.
Таянч суз ва тушунчалар: физика, яримутказгичлар физикаси буйича масалалар, масала ечиш методи ва методикаси.
ВАЛИЕВ У.К., ТУРСУНМЕТОВ К.А. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
В статье рассмотрены проблемы организации и проведения занятий и методика решения задач по физике полупроводников.
Ключевые слова и понятия: физика, задачи по физике полупроводников, методы и методика решения задачи.
VALIYEV U.K., TURSUNMETOV K.A. METHODOLOGY OF SOLVING THE PROBLEMS ON THE SEMICONDUCTORS PHYSICS
There is discussed in the article the issues of organization and carrying out tasks solving methodic and lessons arrangement in physics of semiconductors.
Keywords: physics, tasks in physics of semiconductors, methods, solution of task.
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2017, 8
Как известно, при решении задач по физике выполняется ряд важных учебно-воспитательных задач, в частности, изучение и укрепление понятий и закономерностей по новой теме, формирование и развитие знаний и навыков, а также определение уровня знаний студентов.
Сегодня молодое поколение должно иметь достоверные знания и умения по физике и применять их на практике. Физика - это не только система знаний не только по конкретному объекту или событию, но и возможность получения навыков прогнозирования и планирования будущих событий. Проще говоря, в ходе практического решения задач важно определить предмет исследования с целью оценки физических закономерностей природы, физических явлений и процессов, анализа механизмов и законов формирования единой физической картины мира1.
Новые методики решения задач помогут студентам развить психологию логического мышления, память, внимание и способность проникновения в суть явлений. Умение самостоятельного решения задач - это основной критерий изучения физики. Занятиям по решению задач по физике полупроводников уделено не достаточно внимания. Объемы учебных часов не покрывают всех нудж. Не практикуются критерии выборы типа задач, задачи не дифференцированы по типам и сложности решения.
Нами подготовленно и выпущено учебное пособие «Сборник задач и вопросов по физике полупроводников»2. В этом учебном пособии эти проблемы в значительной мере устранены.
В этой статье рассматриваются методы организации и проведения решения задач по физике полупроводников. В частности, подробно обсуждаются такие вопросы как важность выбранной задачи, психологический подход к решению задачи, задачи различных уровней сложности и требования к ним, а также методы решения таких задач.
1 Каменский С.Е., Орехов В.П. Физикадан масалалар ечиш методикаси. - Т.: «Укитувчи», 1976. -242-б.
2 Турсунметов К.А. ва б. Яримутказгичлар физикаси-дан масалалар ва саволлар туплами. - Т.: «Университет»,
2011. -112-б.
Создание определенной последовательности решения задач и её контроль способствуют правильному развитию самостоятельного мышления студентов. При этом задачи выбираются так, чтобы они представляли интерес для студентов. Проще говоря, наблюдение, опыт или технические проблемы, связанные с экспериментальными вопросами, и их решение являются наиболее эффективными приёмами. Такие задачи, во-первых, помогают студентам развивать навыки самостоятельного мышления, во-вторых, проводить анализ событий и оценивать суть физического явления или процесса. Также эти задачи помогут без ошибки ставить опыты на практике, сделать самостоятельные выводы на основе теоретических и практических знаний.
Теоретически рассмотренную задачу можно рассматривать как критерий уровня научных знаний испытуемых в эксперименте, что показывает важность эксперимента. Решение таких задач, как любая самостоятельная работа, положительно влияет на укрепление знаний и формирование практических навыков, развитие умения правильно их решать3.
Процесс решения задач позволяет преподавателям непрерывно контролировать достижения и недостатки студентов, а также эффективность образования. Студенты при самостоятельном решении задачи сначала обращаются к ответу задачи. Если их не удовлетворяют стандартные методы решения, то они ищут новые креативные методы решения.
Творческая задача отличается от других задач тем, что в процессе решения возникает новый способ мышления - творческое мышление. Можно сделать вывод о том, что решение такой задачи предусматривает самостоятельное творческое мышление студента.
3 Сперанский Н.М. Физикадан масалалар кандай ечи-лади? - Т.: «Укитувчи», 1971. -368-б.
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2017, 8
г
v.
"ч
13
_J
При создании приёмов решения выбранных задач надо основываться на дидактические принципы, то есть, они должны быть составлены в зависимости от простоты к сложности в логической последовательности1.
На всех этапах непрерывного образования при составлении задач необходимо учитывать психофизиологические мировозрения, знания и способности студентов. В основных требованиях при преподавании студентов к методике решения задач по физике целесообразно следовать следующей последовательности:
- во-первых, решение задач начинать с изучения условий задачи и написания данных, на основе принятих символов. Для изучения условий задачи представить себе рассматриваемое физическое явление или процесс;
- во-вторых, самое серьезное внимание должно быть уделено физическим явлениям и процессам, рассматриваемым в задаче. Результат с использованием одного из методов решения во многом зависит от успешности такого обзора. Очень важно уделять внимание студентов на то, что этот анализ часто описывается в начальном и конечном состоянии процесса, и необходимо определять величины, описывающие данный процесс;
- в-третьих, выявление закономерности, описывающей явление или процесс в задаче (закон, правило, формула);
- в-четвертых, проверка правильности и точности созданных уравнений или соответствие числа уравнений к числу неизвестных, нахождение окончательной формулы для расчета.
- в-пятых, применение формулы для расчета и вычисление необходимой величины.
При решении задач всегда необходимо уделять внимание на то, что величины могут быть даны в различных системах единицы измерения. Поэтому сначала нужно привести все величины в одинаковую систему единиц измерения. При необходимости целесоо-
1 Юсупов А., Турсунметов К.А., Худойбердиева А., Хусанов З. Физикадан масалалар кандай ечилади? // «Халк, таълими» журнали, 2008, № 5. -39-45-б.; Турсунметов К.А., Махсудов В.Г., Юлдашева Г. Ещё раз о задачах по физике. // European Journal of Eduсation and Applied Phychology. Vienna: 2016, №2. Рр. 27-32.
бразно нарисовать рисунки, соответствующие задаче, а затем выполнять вычисления. Картинки, рисунки и схемы помогают для решения и анализа содержания задач. Упущение картинок, рисунков и схем часто усложняет решение задач, а иногда не позволяет получить правильный ответ.
В работах А.Юсупова и К.Турсунметова на основе анализа физических процессов, явлений и закономерностей, методов решения -задачи делятся на следующие группы: качественные, расчетные (арифметические, алгебраические, геометрические), экспериментальные, графические и творческие.
Качественные задачи - это задачи, решаемые на основе физических законов, формул и выражений. В таких задачах не выполняются сложные расчеты. Качественные задачи точно описывают физические явления и закономерности, поэтому они используются для закрепления темы. Поэтому важно с научно-методической точки зрения выбирать тип задач в соответствии с учебной программой.
Ранее было опубликованно решение типичных задач2. Рассмотрим более подробно следующие задачи.
Задача №1. Почему сопротивление полупроводников понижается с повышением температуры?
Ответ: Потому что электроны на внешных оболочках полупроводников слабо связаны с ядрами. При повышении температуры они разрывают свои связи, превращаются в свободные электроны и участвуют в создании тока. С повышением температуры увеличивается число свободных электронов. Поэтому сопротивление полупроводников понижается с повышением температуры.
Арифметическй метод. При решении задачи арифметическим методом над физическими величинами выполняются только арифметические операции. Особой чертой арифметического метода является то, что в нём не используется алгебраическое уравнение.
Задача №2. Если концентрация акцепторов N„ = 2,3 ■ 1013яи~3, концентрация доноров
2 Tursunmetov K.A., Valiyev U., Mavlanov H.Y. On the organization of problem soliying in the physics of somicon-ductors. - Санкт-Петербург: журнал «Физика в школе и ВУЗе», 2010, в. 12. -С. 73-76.
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2017, 8
N¿ = 2,2 • 1013,ут3, то найти удельную проводимость при температуре 300°К.
Решение. Как известно, удельная проводимость полупроводников, имеющих донорную и акцепторную примеси, определяется формулой
а = е/иЛ + е/ирМа,
где е=1,6- 10_19Кл - заряд электрона; ц„, цр -подвижность электронов и дырок, при температуре 3000К они равны = 0,14тУК-в ¡лр = 0,05ш7К- д ; - концентрация электронов и дырок. Как видно, значения всех величин известны. Подставляя эти значения в формулу, получим для удельной проводимости значение а= 8- 10"5 sim/sm. В арифметическом методе при решении задач используются только вычислительные методы.
Алгебраический метод. При решении задач алгебраическим методом на основе алгебраических знаний используются формулы, создаются и решаются алгебраические уравнения.
Задача №3. При какой температуре собственная концентрация носителей заряда в кремнии равна собственной концентрации носителей заряда в германии при температуре 300°К?
Решение. Как известно, собственная концентрация носителей заряда в полупроводниках определяется по выражению: п, = Л^ехр (Ег/кТ^
Напишем это выражение для кремния и для германия и сравниваем:
К = ехр (Е„/кТ,) = И02 = ехр (ЕР2/кТ2)
Логарифмируем это уравнение и, решая, находим искомую температуру:
Т2 = + кт01/ы02)
11
Подставляя значения величин, получим Т2=Ш0°К.
При решении этой задачи использованы логарифм и решение уравнение с одной неизвестной.
Геометрический метод. При решении задачи геометрическим методом используются геометрические соотношения.
Задача №4. Если при температуре 20°С в образце полупроводни форме параллелепипеда размерностью 0,25x0,25x0,05 см концентрация носителей заряда равна 1015 см-3, тонким сторонам поставлено напряжение 20 В и подвижность равна 500 sm2 /V ■ s, то найти ток, проходяший через образец.
Решение. Как известно, сопротивление определяется выражением
Для удельной проводимости воспользуемся выражением
а = ещ
Площадь поперечного сечения образца равна Б = ак
Подставим выражения для удельной проводимости и поперечного сечения в формулу сопротивления
1
Ъ
jj =_=_
ещ ah
Далее подставим это выражение в закон Ома
U U-епф I = ---= U • enfin
так, как a=b. Подставляя значения величин, получим искомый ток I=0,$mA.
Здесь использована геометрическая формула для определения площади.
Графический метод. Графический метод тесно связан с геометрическим методом. В графическом методе искомая величина определяется с помощью графика.
Задача №5. С помощью графика зависимости электрической проводимости примесного полупроводника от температуры найти энергию активации примеси и изменение удельной проводимости при повышени температуры в 2 раза (рисунок 1).
Решение. По условию задачи даны график
и закон зависимости о=о0е ш. Логарифмируем выражение и напишем для двух температур
Ina, = lna0 —
АЕ kT1
lna2 = lna0 - j^r
Из этого выражения можно найти АЕ,, где к= 1,38 • 10~23Ж= 8,6 • 10~5 eV/K
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2017, 8
Из
102
уравнения получим -у-= 0,35, 1пст; = -6 и Ж = о,25,1ш2 = -4 Подстав-
ляя значения величин получим АЕ = Ъ,\1 еУ.
Теперь рассмотрим второе условие. Для Т2 = 2Т1 можно использовать выражение
- j. Но мы воспользуемся графическим методом. Из графика
4^ = 0,35, Щ. = 0,175 и соответственно /^ = -6, 11 ¿2
1по2 = - 3,3. Из
^=е0'55 * 1,73. а, '
/«=-^- = ^-=0,55 получим
33 6
Изменяя величину и знак напряжения с помощью резистора, можно наблюдать изменение тока. На основе полученных результатов построим график (рисунок 3).
Одним из способов связывание теории с практикой является решение экспериментальных задач. Особой чертой экспериментальных задач является то, что при их решении используются лабораторные работы или виртуальные эксперименты. В процессе решения экспериментальных задач повышается активность и самостоятельная деятельность студентов.
Задача №6. Сравнить прямой и обратный токи, проходящие через полупроводниковый диод.
Решение. Решим эту задачу экспериментальным методом. Используя источник питания, полупроводниковый диод, два сопротивления, резистор, вольтметр, миллиамперметр и соединительные шнуры собираем следующую цепь (рисунок 2).
Из рисунка 3 видно, что полупроводниковый диод хорошо проводит прямой ток и почти не проводит обратный ток.
Графические задачи помогают повышению мыслительной способности студентов. В процессах решения графических задач и при выполнении домашных заданий студенты используют взаимосвязь физики и математики. В графических задачах график задается условием задачи, а иногда требуется построить график на основе данных или результатов.
Задача №7. Показать температурную зависимость концентрации электронов в частично компенсированном полупроводнике (Ма>Ыа).
Решение. Построим график зависимости 1пп для низких (ТкТ^ и высоких (Т> Т2) температур (рисунок 4.).
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2017, 8
A Inn
Рис. 4.
Из рисунка 4 видно, что в интервале —~ концентрация электронов почти не
* 1
изменяется и равна п = .А^ + Л^. Здесь использован метод составления графической функции. Из графика также можно оценить энергию активации и удельную проводимость.
Творческие задачи встречаются на практике и в процессе подготовки студентов и
учащихся к олимпиадом и конкурсам. В учебном процессе творческие задачи используется редко, но они имеют большое значение для повышения мыслительной деятельности студентов, а также при работе с одарёнными студентами.
Таким, образом, при организации занятий по решению задач по физике полупроводников, а также по другим предметом, необходимо:
во-первых, научно-методически грамотно выбирать тип и количество задач;
во-вторых, дифференцировать задачи по степени сложности, используя для этого составленное авторами статьи учебное пособие;
в-третьих, выбирать тип и количество задач по уровню учебной группы.
Правильная научно-методическая организация и проведение занятий по решению задач позволяют укрепить и углубить знания студентов, воспитывать у них творческое мышления, любовь к дисциплине и формировать способность к научным исследованиям.
Литература:
1. Каменский С.Е., Орехов В.П. Физикадан масалалар ечиш методикаси. - Т.: «Укитувчи», 1976. -242-б.
2. Турсунметов К.А. ва б. Яримутказгичлар физикасидан масалалар ва саволлар туплами. - Т.: «Университет», 2011. -112-б.
3. Сперанский Н.М. Физикадан масалалар кандай ечилади? - Т.: «Укитувчи», 1971. -368-б.
4. Юсупов А., Турсунметов К.А., Худойбердиева А., Хусанов З. Физикадан масалалар кандай ечилади? // «Халк таълими», 2008, №5. -39-45-6.
5. Турсунметов К.А., Махсудов В.Г., Юлдашева Г. Ещё раз о задачах по физике. // European Journal of Eduсation and Applied Phychology. Vienna: 2016, №2. Рр. 27-32.
6. Tursunmetov K.A., Valiyev U., Mavlanov H.Y. On the organization of problem soliying in the physics of somiconductors. - Санкт-Петербург: журнал «Физика в школе и ВУЗе», 2010, в. 12. -С. 73-76.
ЗАМОНАВИЙ ТАЪЛИМ / СОВРЕМЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 2017, 8
