Ученики на Учителя.com


Конспект урока "p/n переход и его свойства. Полупроводниковый диод" 10 класс

Автор: Перов Евгений Юрьевич
Место работы: МБОУ СОШ №19 Усть-Лабинский район Краснодарский край
Должность: учитель физики
10 класс.
Тема урока: p/n переход и его свойства.
Полупроводниковый диод.
Цели урока
Обучения:
• Обеспечить усвоение учащимися признаков полупроводников и их
свойств;
• Добиться усвоения учащимися понятий собственная и примесная
проводимость полупроводника.
Развития:
• Развитие синтезирующего мышления – развитие умения устанавливать
единые, общие признаки и свойства целого, составлять план
изученного материала.
• Формирование умений выделять главное, составлять план, тезисы,
вести конспекты.
Воспитания:
• Воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям;
• Воспитание дисциплинированности;
Тип урока – изучение нового материала
Вид урока – беседа
Методы обучения – словесные.
Оборудование:
1. Мультимедийная система
2. Презентация «p/n переход и его свойства. Полупроводниковый диод»
3. Образцы современных диодов.
Ход урока
1. Организация начла урока.
Объявление темы урока. Постановка целей.
2. Изучение нового материала.
Учитель.
В периодической таблице Менделеева металлы (проводники) от металлов
(изоляторов) отделяет ряд переходных элементов – полупроводников,
которые в кристаллическом состоянии характеризуются следующими
признаками:
Вопрос:
1. Назовите основные отличия друг от друга проводников и
диэлектриков.
2. Что является основными носителями заряда в проводниках?
1. При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводники ведут
себя как изоляторы (не проводят электрический ток).
2. С повышением температуры удельное сопротивление ρ
полупроводников уменьшается, что отличает их от металлов, у
которых наблюдается обратная зависимость.
3. Значения удельного сопротивления при комнатной температуре (Т =
300К) для типичных полупроводников лежат в пределах (0,1 –
1000)Ом-м и занимает промежуточное значение между удельными
сопротивлениями металлов и диэлектриков.
4. Электрический ток в полупроводниках возникает за счет
упорядоченного перемещения зарядов обоих знаков – положительных
и отрицательных.
Перечисленными выше свойствами обладают в основном элементы 3 – 6
групп периодической таблицы, такие как бор, кремний, германий, мышьяк, а
также многие химические соединения, например арсенид галлия, сурьмистый
индий и т.д.
Уменьшение удельного сопротивления полупроводников с ростом
температуры объясняется увеличением в них числа свободных электронов.
Электроны проводимости возникают при нагревании в результате разрыва
ковалентных химических связей, которые устанавливает в кристалле данный
атом полупроводника с окружающими его атомами за счет своих валентных
электронов. Необходимая для этого энергия составляет W ≈ 1эВ (для
диэлектрика существенно больше).
При комнатной температуре в химически чистом полупроводнике
высвобождается лишь малая доля валентных электронов за счет случайного
приобретения ими необходимой энергии; например, в германии при
концентрации валентных электронов ~10 28м
-3
концентрация свободных
электронов составляет ~10 19м
-3
, т.е разрывается одна из 10- 9 связей. С
понижением температуры кристалла вероятность случайного появления
свободных электронов стремится к нулю: удельное сопротивление
неограниченно возрастает.
Вопрос:
1. Что будет происходить с носителями зарядов при наложении
внешнего электрического поля?
Собственной называется проводимость химически чистого полупроводника,
обладающей совершенной кристаллической решеткой.
Она обеспечивает направленным перемещением под действием
приложенного электрического поля свободных электронов и эффективных
положительных зарядов, называемых дырками. Такой тип проводимости
называется электронно-дырочным или n-p-проводимостью.
Объяснить механизм собственной проводимости полупроводников можно на
основании следующих представлений. При тепловом разрушении
ковалентных связей, образованных валентными электронами атома
полупроводника находящегося в узле кристаллической решетки,
одновременно возникают свободный электрон и избыточный положительный
заряд – дырка, являющаяся ионом того атома полупроводника, который
покинул электрон. Восстановление данной ковалентной связи может
происходить как за счет свободных электронов, так и за счет электронов,
переместившихся из соседних связей. В первом случае происходит
исчезновение (рекомбинация) равных по величине положительных и
отрицательных зарядов. Во втором случае количество зарядов не
уменьшается, а наблюдается перемещение дырки на место захваченного
электрона.
Реальные кристаллические решетки полупроводников имеют дефекты,
присутствие которых может повышать их электропроводность на несколько
порядков. При практическом использовании полупроводников дефекты
создаются целенаправленно введением в кристалл атомов примеси,
отличающихся по валентности (обычно на единицу) от атомов
полупроводника. Если валентность примеси больше, то она называется
донорной, если меньше – акцепторной. Проводимость полупроводника,
содержащего примеси, называется примесной.
Освободившиеся электроны могут создавать проводимость n-типа.
При этом концентрация свободных электронов значительно больше
концентрации дырок.
Атом акцепторной трехвалентной примеси в полупроводнике, например,
бора не может установить парные связи со всеми соседними атомами
матрицы, поскольку имеет меньше валентных электронов. Незаполненная
связь может быть восстановлена за счет перехода электрона от соседнего
атома решетки. В результате образуется положительный ион
полупроводника, который называется дырка. Дырка может перемещаться по
кристаллу, как свободный заряд, создавая проводимость p-типа. Уже при
комнатной температуре концентрация дырок в полупроводнике практически
равна концентрации атомов примеси и концентрация дырок больше
концентрации свободных электронов.
Полупроводниковый диод. Транзистор.
В основе работы многих полупроводниковых приборов, в частности, диода и
биполярного транзистора, лежат свойства p-n перехода.
P-n переход – это зона контакта полупроводников с различным типом
примесной проводимости.
P-n получают либо при выращивании кристаллов, либо при их
соответствующей обработке (но не механическим соединением).
При образовании p-n перехода наблюдается интенсивная диффузия
электронов из n-области в p-область и встречная диффузия дырок из p-
области в n-область. В результате p-область в зоне контакта заряжается
отрицательно, n-область – положительно, и образуется двойной
электрический слой шириной L, электрическое поле которого препятствует
диффузии основных носителей тока через зону контакта. Концентрация
основных носителей тока в зоне контакта вследствие диффузии и
рекомбинации уменьшается, поэтому важную роль в формировании двойного
слоя имеют некомпенсированные заряды, заряды ионизированных атомов
примесей.
Для основных носителей электрическое поле перехода не является
препятствием, и они, случайно дрейфуя, через p-n переход создают ток,
противоположный диффузионному. Динамическое равновесие наступает при
установлении такой напряженности поля двойного слоя, когда суммарный
ток всех зарядов через p-n переход равен нулю. Соответствующая разность
потенциалов в области перехода называется потенциальным барьером.
Характеристики p-n перехода зависят от внешнего электрического поля. Если
внешний источник подключен положительным полюсом к p-области, а
отрицательным к n-области, то основные носители будут двигаться под
действием поля навстречу друг другу к зоне контакта, частично потенцируя
заряд двойного слоя. Сопротивление слоя, его ширина и высота
потенциального барьера уменьшается, поэтому происходит быстрое
нарастание тока основных носителей с увеличением внешнего напряжения.
Если положительный полюс источника подключить к n-области, а
отрицательный к p-области, то основные носители будут двигаться под
действием электрического поля от зоны контакта, увеличивая не
скомпенсированный заряд двойного слоя. Это приводит к увеличению
ширины двойного слоя, росту сопротивления перехода и высоту
потенциального барьера.
Ток основных носителей резко уменьшается, через p-n переход будет
протекать малый ток неосновных носителей, быстро достигающий
насыщения при увеличении внешнего напряжения. Такой тип включения
называется обратным.
Ярко выраженная односторонняя проводимость p-n перехода используется в
полупроводниковом диоде – устройстве, содержащем один p-n переход и
применяемом для выпрямления переменного тока.
Характеристика полупроводникового диода в основном определяются
свойствами входящего в него идеализированного p-n перехода, однако,
всегда имеются некоторые отклонения обусловленные особенностями
конструкции.
Полупроводниковые диоды обладают рядом преимуществ перед ламповыми
диодами: экономичность, миниатюрность, высокая надежность и большой
срок службы. Недостатком полупроводниковых диодов является
чувствительность к колебаниям температуры и радиационному облучению.
Устройство, состоящее из двух p-n переходов, приложенных навстречу друг
другу, называют биполярным транзистором. Возможно чередование областей
в последовательности p-n-p или n-p-n.
Основная часть транзистора, именуемая базой, представляет собой
легированный примесью кристалл полупроводника малой толщины, к
которому с двух сторон примыкают области с другим типом проводимости –
эмиттер и коллектор. В приближенных теориях транзистор рассматривают
как совокупность двух диодов, включенных навстречу друг другу.
На практике транзисторы используются как усилители по силе тока,
напряженности и мощности.
3.Итог урока.
Учитель: А теперь, давайте подведем итог нашего урока.
1. Выяснили основные свойства полупроводников.
2. Узнали о механизме собственной и примесной проводимости
полупроводника.
3. Устройство п\п диода.
4. Выяснили вид ВАХ п\п диода.
5. Выпрямление переменного тока с помощью п\п диода.
4.Задание на дом: конспект урока, периодическая система
элементов(повторить).
Перечень используемой литературы и источников.
1. Электроника для всех. Автор DI HALT Основы на пальцах. Часть 3
(http://easyelectronics.ru/osnovy-na-palcax-chast-3.html).
2. Компоненты и технологии. Светодиоды COSMO.(http://kit-
e.ru/articles/led/2004_3_10.php).
3. Battery and Energy Technologies
(http://www.mpoweruk.com/semiconductors.htm).
4. Полупроводниковые приборы. Диод.
(http://stoom.ru/content/view/162/83/).
5. IMAGES SCIENTIFIC INSTRUMENTS
(http://www.imagesco.com/articles/photovoltaic/photovoltaic-pg3.html).
6. i-Школа. Электронно дырочный переход (http://www.home-
edu.ru/user/f/00000951/27/27.htm).
7. Энергосберегающие светодиодные (LED) технологии освещения.
(http://elites-montage.com.ua/ntled.php).
8. Электрический ток в полупроводниках
(http://neive.by.ru/bestsoft/4_13.htm).
9. Основные свойства радиоматериалов (http://chem-
bsu.narod.ru/ChemRadWeb/ch2/ch2.htm).
10. Электрические характеристики (http://ptu95.narod.ru/elektrical.html).
11. Физика полупроводников.
(www2.mati.ru/education/fakult1/kafedra5/site/Lib/.../FTT2-1.doc)
12. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
(http://portal.main.tpu.ru:7777/departments/kafedra/tief/method_work/method_work2/lab2/
LabsElect/e05.pdf).
Скачать материал

Физика - еще материалы к урокам: