158 Кирик Л. А. • «Усі уроки фізики. 11 клао

УРОК10/10 Темв. Електричний струм у напівпровідниках

Мета JPOКJ: сформувати уявлення про вільні носїі електричного за­

ряду в напівпровідниках і про природу електричного струму

в напівпровідниках.

ТІІn уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАНУРОКУ

1. Електричвий струм у металах. Ков:троm.

5хв 2. Електричвий струм в електролітах.

зиавь З. Заков Фарадея для: електролізу.

4. Електричвий струм у газах

Деноистрації 5хв Фраrменти відеофільму •Електричний струм

у напівпровідниках•

1. Носії зарядів у напівпровідниках. Вивчеивв 2. Домішкова провідвість напівпровідників. вовоrо 28хв З. Електронво-дірковий перехід.

м:атеріа.лу 4. Напівпровідникові діоди й транзистори. 5. Інтегральні мікросхеми

Закріплеивв 1. Якіеві питання:. вивчевоrо 7хв 2. Навчаємося: розв'язувати задачі м:атеріа.лу

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Носіі ирядів у напівпровідниках

Питомі опори напівпровідників за кімнатної температури ма­

ють значення, які перебувають у широкому інтервалі, тобто від

10-а до 1070м·м, і займають проміжне положення між металами й діелектриками.

> Напівпровідники -речовини, питомий опір яких дуже швидко убуває з підвищенням температури.

До напівпровідників належать багато хімічних елементів (бор,

кремній, германій, фосфор, миш'ик, селенів, телур і ів:.), величез­

на кількість мінералів, сплавів і хімічних сполук. Майже всі неор­

ганічні речовини навколишнього світу - напівпровідники.

Електродинаміка. Електричне поле. Електричний струм 69

За досить низьких температур і відсутності зовнішніх впливів

(наприклад, висвітлення або нагрівання:) напівпровідники не про­

водять електричвий струм: за цих умов всі електрони в напівпро­

відниках є зв'язаними.

Однак зв' изок електронів зі своїми атомами в напівпровідниках

не такий міцний, як у діелектриках. І в разі підвищення темпера­

тури, а так само за искравого освітленин деякі електрони відрива­

ються: від своїх атомів і стають вільними заридами, тобто можуть

переміщатися за всім зразком.

Завдяки цьому в напівпровідниках з' являються негативні носії

заряду - вільні електрони.

~ Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, назива­ють електронною.

Коли електрон відривається від атома, позитивний зарид цьо­

го атома стає нескомпенсованим, тобто в цьому місці з'являється

зайвий позитивний заряд. Цей позитивний зарид називають •дір­

кою•. Атом, поблизу икого утворилася: дірка, може відібрати

зв'язаний електрон у сусіднього атома, при цьому дірка переміс­

титься до сусіднього атома, а той атом, у свою чергу, може •переда­

ти• дірку далі.

Таке •естафетне• переміщення зв'изаних електронів можна

розглядати як переміщення дірок, тобто позитивних зарядів.

~ Провідність напівпровідника, обумовлену рухом дірок. називають дір­кавою.

Таким чином, відмінність діркавої провідності від електронної

полигає в тому, що електронна провідність обумовлена переміщен­

ням у напівпровідниках вільних електронів, а діркова- перемі­

щенням зв' язаних електронів.

~ У чистому напівпровіднику (без домішок) електричний струм ство­рює однакову кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність на­

зивають власною провідністю напівпровідників.

2. Домішкова провідність напівпровідників

Якщо додати в чистий розплавлений кремній незначну кіль­

кість миш' ику (приблизно 10-5 % ), після тверднення утворюється звичайна кристалічна решітка кремнію, але в девких вузлах ре­

шітки замість атомів кремнію перебуватимуть атоми миш'яку.

70 Кирик Л. А. • «Усі уроки фізики. 11 клао

Миш'як, як відомо, п'ятивалентвий елемент. Чотиривалент­

ві електрони утворюють парві електронні зв' язки із сусідніми ато­

мами кремнію. П'ятому ж валентному електрону зв'я:зку не виста­

чить, при цьому вів буде так слабко пов'язаний з атомом Миш'яку,

який легко стає вільним. У результаті кожний атом домішки дасть

один вільний електрон.

}> Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються до­норними.

Електрони з атомів кремнію :можуть ставати вільними, утво­

рюючи дірку. тому в кристалі можуть одночасно існувати й вільні

електрови й дірки. Однак вільних електронів у багато разів буде

більше, ніж дірок.

Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електро­

ни, вазивають напівпровідниками n -типу. Якщо в кремній додати незначну кількість тривалентного ін­

дію. то характер провідності напівпровідника зміниться:. Оскільки

індій має три валентних електрони, то вів може встановити ко ва­

лентний: зв'я:зок тільки з трьома сусідніми атомами. Для: встанов­

лення: зв' я:зку із четвертим атомом електрова не вистачить. Індій

•позичить• електрон у сусідніх атомів, у результаті кожний: атом

Індію утворює одне вакантне місце - дірку.

}> Домішки, які «Захоплюють» електрони атомів кристалічної решітки напівпровідників, називаються акцепторними.

У випадку акцепторної домішки основними носія:ми заря:ду під

час проходження електричвого струму через напівпровідник є дір­

ки. Напівпровідники, у я:ких основними носія:ми заря:дів є дірки,

вазивають напівпровідниками р -типу.

Електродинаміка. Електричне поле. Електричний струм 71

Практично всі напівпровідники :містя:ть і донорві, й акцептор­

ві домішки. Тип провідності напівпровідника визначає доміш­

ка з більш високою концентрацією носіїв заря:ду - електронів

і дірок.

3. Електронно-дірковий перехід

Серед фізичних властивостей, властивих напівпровідникам,

вайбільшого застосування дістали властивості контактів ( p-n -пе­реходу) між напівпровідниками з різними типами провідності.

У напівпровіднику n -типу електрони беруть участь у теплово­му русі й дифундують через границю в напівпровідника р -типу, де

їхня: концентрація: значно менше. Точно так само дірки будуть ди­

фундувати з напівпровідника р -типу в напівпровідника n -типу. Це відбуваєтьси подібно до того, як атоми розчиневої речовини ди­

фундують із :міцного розчину в слабкий у разі їх зіткнення:.

У результаті дифузії приконтактна ділявка збіднюється: основ­

ними носіями заряду: у напівпровіднику n -типу змевшуєтьси кон­центрація: електронів, а в напівпровіднику р -типу - концентра­

ція дірок. Тому опір приконтактвої діля:нки виявляється дуже зна­

чним.

Дифузія електронів і дірок через p-n -перехід призводить до того, що напівпровідник n -типу, з я:кого йдуть електрони, заря­джається позитивно, а р -типу - негативно. Виникає подвійний

електричний шар, що створює електричне поле, ике перешкоджає

подальшій дифузії вільних носіїв струму через контакт напівпро­

відників. За дея:кої напруги між подвійним зарядженим шаром по­

дальше збідніння приконтактної ділявки основними носіими при­

пиняється:.

Якщо тепер напівпровідник приєднати до джерела струму так,

щоб його електронна область з'єднуваласи з негативвим полюсом

джерела, а діркова - з позитивним, то електричне поле, створеве

джерелом струму, буде спрямовано так, що воно первміщатиме

основві носії струму в кожній ділявці напівпровідника до p-n -пе­

реходу.

Приконтактна ділявка буде збагачуватнен основними носія:ми

струму, і їі опір зменшиться:. Через контакт проходитиме помітний

струм. Напримок струму в цьому випадку вазивають пропускним,

або пря:мим.

72 Кирик Л. А. • «Усі YPOKU фізики. 1 1 клаС»

Якщо ж приєднати напівпровідник n -типу до позитивного, а р -типу до негативиого полюса джерела, то приконтактна ділянка

розширюється. Опір області значно збільшується. Струм через пе·

рехідвий шар буде дуже малий. Цей напрямок струму вазивають

замикаючим, або зворотним.

4. Напівпровідникові діоди й транзистори

Отже, через границю розділу напівпровідників n·типу й р·типу

електричний струм іде тільки в одиому напря::мку - від напівпро­

відника р·типу до напівпровідника п·типу.

Це використовують у пристроях, нкі вазивають діодами.

Напівпроводникові діоди використовують длн випримленин стру·

:му змінного напрямку (такий струм називають змінним), а також

дл.я виготовлення: світлодіодів. Напівпровідникові випр.ямл.ячі ма­

ють високу надійність і тривалий термін використання:.

Широко застосовують напівпровідникові діоди в радіотехніч­

вих пристроях: радіоприймачах, відеомагнітофовах, телевізорах,

комп'ютерах.

Ще більш важливим застосуванням напівпровідників став

транзистор. Вів складається: із трьох шарів напівпровідників: по

краях розташовано напівпровідники одного типу, а між ними -вайтонший прошарок напівпровідника іншого типу. Широке за­

стосування транзисторів обумовлеве тим, що з їх допомогою можна

підсилювати електричні сигнали. Тому транзистор став основним еле­

ментом багатьох напівпровідникових приладів.

5. Інтеrрапьні мікросхеми

Напівпровідникові діоди й транзистори є •цеглинками• дуже

складних пристроїв, .які називають інтегральними мікросхемами.

Мікросхеми •працюють• сьогодні в комп'ютерах і телевізорах,

у мобільвих телефонах і штучних супутниках, в автомобіля:х, літа­

ках і навіть у пральних машинах. Інтегральну схему виготовляють

ва пластпиці кремнію. Розмір пластинки -від міліметра до санти­

метра, причому на одній такій WІастинці може розміщуватися до

мільйона комповентів - малюсіньких діодів, транзисторів, резис­

торів і т. ів.

Важливими перевагами інтегральних схем є висока швидкодія:

й надійність, а також низька вартість. Саме завдики цьому ва осно-

Електродинаміка. Електричне поле. Електричний струм 73

ві інтегральних схем і вдалося: створити складні, але доступні бага­

тьом прилади, комп'ютери й предмети сучасвої побутової техніки.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівекь

1. Які речовини можна відвести до напівпровідникових? 2. Рухом яких заря:джених частинок створюється: струм у напів­

провідниках?

3. Чому опір напівпровідників дуже сильно залежить від наявнос­

ті домішок?

4. Як утворюєтьсн p·n ·перехід? Яку властивість має p·n ·перехід?

5. Чому вільні носії зарядів не можуть пройти скрізь р·n-перехід

напівпровідника?

Другий рівекь

1. Після введення в гермати домішки миш'я:ку концентрація

електровів провідиості збільшилася. Як змінилася: при цьому

концентрацін дірок?

2. За допомогою .якого досліду можна переконатися в однобічній

провідиості напівпровідникового діода?

3. Чи можна одержати p-n- перехід, виконавши вWІавлення: оло­ва в германій або кремній?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Якісні питання

1. Чому вимоги до чистоти напівпровідникових матеріалів дуже високі (у ряді випадків не допускається наявність навіть одного

атома домішки на мільйов атомів)?

2. Після: введення: в германій домішки :миш'яку концентрація

електровів провідності збільшилася. Як змівиласи при цьому

концентрацін дірок?

3. Що відбувається в контакті двох напівпровідників n · і р ·типу? 4. У закритому нщику перебувають напівпровідниковий діод і ре­

остат. Кінці приладів виведені вазовві й приєднані до кле:м. Як

визначити, .я:кі клеми належать діоду?

74 Кирик Л. А. • «Усі уроки фізики. 11 клао

2. НавчаЕмося розв'язувати задачі 1. Яку провідність (електронну або діркову) має кремній з доміш­

кою галію? індію? фосфору? сурми?

2. Яка провідність (електронна або діркова) буде в кремнію, якщо до нього додати фосфор? бор? алюміній? миш'як?

З. Як змінитьси опір зразка кремнію з домішкою фосфору, икщо

ввести в нього домішку галію? Концентрація атомів Фосфору

й Галію однакова. (Відповідь: збільшиться)

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

• Напівпровідники - речовини, питомий опір яких дуже швид­

ко звижується з підвищенням температури.

• Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів,

називають електронною.

• Провідність напівпровідника, обумовлеву рухом дірок, вазива­

ють дірковою.

• Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорвими.

• Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електро­ни, називають напівпровідниками n -типу.

• Домішки, икі •захоплюють• електрони атомів кристалічної ре­шітки напівпровідників, називаються акцепторними.

• Напівпровідники, у иких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р -типу.

• Контакт двох напівпровідників з різними видами провіднос­ті має властивості добре проводити струм в одному напрямку

й значно гірше в протилежному напримку, тобто має однобіч­

ну провідність.

ДоМВWНІЕ 38ВДВННЯ 1. Підр.: §§ 11, 12. 2. 36.:

РІв1 N.! 6.5; 6. 7; 6.15; 6.17. Рів2 N.! 6.16; 6.18; 6.24, 6.25. Рів3 N.! 6.26, 6.28; 6.29; 6.30.

3. Д: підготуватися до самостійної роботи N.! 4.

Електродинаміка. Електричне поле. Електричний струм 75

УРОК11/11 Т•ма. Лабораторна робота Nl! 2 «дослідження електричного кола

3 напівпровідниковим діодом» Метв уроку: експериментально переконатися в однобічній провід­

ності напівпровідникового діода.

ТІІп уроку: урок контролю й оцінювання 3Нань.

Уствткування: джерело постійного струму, миліамперметр, воль­

тметр, мікроамперметр, ключ, сполучні проводи.

ХІДРОБОТИ

1. Зберіть електричне коло для вимірювання прямого струму за

схемою, наведеною на рисупн;у 1:

V V

Рис.l Рис.2

2. Замкніть ключ і поступово збільшуйте напругу. Запишіть пока­зання приладів.

3. Розімкніть коло, поміняйте міліамперметр на мікроамперметр

та підключенни вольтметра (див. рис. 2), змініть полирність уві­мкнення діода

4. Замкніть ключ і поступово збільшуйте напругу. Запишіть пока­занни приладів.

5. За знятими показаннями приладів побудуйте вольт-амперну характеристику напівпровідникового діода.

Якщо учні швидко виконають лабораторну роботу. то напри­

кінці уроку можна запропонувати їм виконати самостійну роботу

Ne4. Якщо ж на уроці час на виконании самостійної роботи не буде,

то її можна задати додому.