Kontakt polovodičů s různými typy vodivosti. Polovodič. n-typ, p-typ, příměsové prvky

Zpět dopředu

Pozornost! Náhledy snímků mají pouze informativní charakter a nemusí představovat všechny funkce prezentace. Pokud vás tato práce zaujala, stáhněte si prosím plnou verzi.

Lekce v 10. třídě.

Předmět: R- A n- typy. Polovodičová dioda. Tranzistory."

cíle:

• vzdělávací: vytvořit si představu o volných nosičích elektrického náboje v polovodičích za přítomnosti nečistot z hlediska elektronové teorie a na základě těchto poznatků zjistit fyzikální podstatu p-n přechodu; naučit studenty vysvětlit činnost polovodičových součástek, na základě znalosti fyzikální podstaty pn přechodu;
• rozvíjející se: rozvíjet fyzické myšlení žáků, schopnost samostatně formulovat závěry, rozšiřovat kognitivní zájem, kognitivní činnost;
• vzdělávací: pokračovat ve formování vědeckého vidění světa školáků.

Vybavení: prezentace na téma:„Polovodiče. Elektrický proud přes polovodičový kontakt R- A n- typy. Polovodičová dioda. Tranzistor", multimediální projektor.

Během vyučování

I. Organizační moment.

II. Učení nového materiálu.

Snímek 1.

Snímek 2. Polovodič – látka, u které se měrný odpor může měnit v širokém rozsahu a s rostoucí teplotou velmi rychle klesá, což znamená, že se zvyšuje elektrická vodivost (1/R).

Je pozorován v křemíku, germaniu, selenu a v některých sloučeninách.

Snímek 3.

Mechanismus vedení v polovodičích

Snímek 4.

Polovodičové krystaly mají atomovou krystalovou mřížku, kde je vnější Snímek 5. elektrony jsou vázány k sousedním atomům kovalentními vazbami.

Při nízkých teplotách čisté polovodiče nemají žádné volné elektrony a chovají se jako izolanty.

Polovodiče jsou čisté (bez nečistot)

Pokud je polovodič čistý (bez nečistot), pak má vlastní vodivost, která je nízká.

Existují dva typy vlastní vodivosti:

Snímek 6. 1) elektronický (vodivost typu "n")

Při nízkých teplotách v polovodičích jsou všechny elektrony vázány na jádra a odpor je vysoký; Se zvyšující se teplotou se zvyšuje kinetická energie částic, rozpadají se vazby a objevují se volné elektrony - klesá odpor.

Volné elektrony se pohybují opačně k vektoru síly elektrického pole.

Elektronická vodivost polovodičů je dána přítomností volných elektronů.

Snímek 7.

2) otvor (vodivost typu "p")

S rostoucí teplotou se kovalentní vazby mezi atomy, prováděné valenčními elektrony, ničí a vznikají místa s chybějícím elektronem – „díra“.

Může se pohybovat po krystalu, protože jeho místo lze nahradit valenčními elektrony. Pohyb "díry" je ekvivalentní pohybu kladného náboje.

Otvor se pohybuje ve směru vektoru intenzity elektrického pole.

Kromě zahřívání může přerušení kovalentních vazeb a vznik vlastní vodivosti v polovodičích způsobit osvětlení (fotovodivost) a působení silných elektrických polí. Proto mají polovodiče také děrovou vodivost.

Celková vodivost čistého polovodiče je součtem vodivosti typu „p“ a „n“ a nazývá se vodivost elektronových děr.

Polovodiče s nečistotami

Takové polovodiče mají vlastní vodivost + nečistoty.

Přítomnost nečistot výrazně zvyšuje vodivost.

Když se změní koncentrace nečistot, změní se počet nosičů elektrického proudu – elektronů a děr.

Schopnost řídit proud je základem širokého použití polovodičů.

Existovat:

Snímek 8. 1) nečistoty dárce (darování)– jsou dodatečnými dodavateli elektronů do polovodičových krystalů, snadno se vzdávají elektronů a zvyšují počet volných elektronů v polovodiči.

Snímek 9. Toto jsou vodiči "n" - typ, tj. polovodiče s donorovými nečistotami, kde většinovým nosičem náboje jsou elektrony a menšinovým nosičem náboje díry.

Takový polovodič má vodivost elektronických nečistot. Například arsen.

Snímek 10. 2) nečistoty akceptoru (příjem)– vytvářejí „díry“, přijímající elektrony do sebe.

Jedná se o polovodiče "p" - typ, tj. polovodiče s akceptorovými nečistotami, kde hlavním nosičem náboje jsou díry a menšinovým nosičem náboje jsou elektrony.

Takový polovodič má vodivost díry nečistoty. Snímek 11. Například indium. Snímek 12.

Uvažujme, k jakým fyzikálním procesům dochází, když se dva polovodiče s různými typy vodivosti dostanou do kontaktu, nebo, jak se říká, v pn přechodu.

Snímek 13-16.

Elektrické vlastnosti p-n přechodu

"p-n" přechod (nebo přechod elektron-díra) je oblast kontaktu dvou polovodičů, kde se vodivost mění z elektronické na díru (nebo naopak).

Takové oblasti mohou být vytvořeny v polovodičovém krystalu zavedením nečistot. V kontaktní zóně dvou polovodičů s různou vodivostí bude probíhat vzájemná difúze. elektrony a díry a vytvoří se blokující elektrická vrstva. Elektrické pole blokovací vrstvy brání dalšímu průchodu elektronů a děr přes hranici. Blokovací vrstva má ve srovnání s ostatními oblastmi polovodiče zvýšený odpor.

Vnější elektrické pole ovlivňuje odpor bariérové ​​vrstvy.

V propustném (průchozím) směru vnějšího elektrického pole prochází elektrický proud rozhraním dvou polovodičů.

Protože elektrony a díry se pohybují k sobě směrem k rozhraní, poté elektrony překračující hranici vyplní díry. Tloušťka bariérové ​​vrstvy a její odpor se plynule zmenšují.

Režim propustnosti p-n přechodu:

Když je vnější elektrické pole v blokovacím (reverzním) směru, přes kontaktní plochu dvou polovodičů neprojde žádný elektrický proud.

Protože Jak se elektrony a díry pohybují od hranice v opačných směrech, blokující vrstva houstne a zvyšuje se její odpor.

Režim blokování p-n přechod:

Přechod elektron-díra má tedy jednosměrnou vodivost.

Polovodičové diody

Polovodič s jedním p-n přechodem se nazývá polovodičová dioda.

- Kluci, napište nové téma: "Polovodičová dioda."
"Co je to za idiota?" zeptal se Vasechkin s úsměvem.
- Ne idiot, ale dioda! - učitel odpověděl: "Dioda, to znamená, že má dvě elektrody, anodu a katodu." Rozumíš?
"A Dostojevskij má takové dílo - "Idiot," trval na svém Vasechkin.
- Ano, existuje, tak co? Jste na hodině fyziky, ne literatury! Už si prosím nepleťte diodu s pitomcem!

Snímek 17–21.

Při působení elektrického pole v jednom směru je odpor polovodiče vysoký, v opačném směru je odpor malý.

Polovodičové diody jsou hlavními prvky střídavých usměrňovačů.

Snímek 22–25.

Tranzistory se nazývají polovodičová zařízení určená k zesilování, generování a přeměně elektrických oscilací.

Polovodičové tranzistory - využívají se i vlastnosti "p-n" přechodů - tranzistory se používají v obvodech radioelektronických zařízení.

Velká „rodina“ polovodičových součástek zvaných tranzistory zahrnuje dva typy: bipolární a s efektem pole. První z nich, aby je nějak odlišili od druhého, se často nazývají obyčejné tranzistory. Nejpoužívanější jsou bipolární tranzistory. Asi začneme jimi. Termín „tranzistor“ je vytvořen ze dvou anglických slov: transfer – převodník a rezistor – odpor. Ve zjednodušené podobě je bipolární tranzistor polovodičový wafer se třemi (jako ve vrstveném koláči) střídajícími se oblastmi různé elektrické vodivosti (obr. 1), které tvoří dva p–n přechody. Dvě krajní oblasti mají elektrickou vodivost jednoho typu, střední oblast má elektrickou vodivost jiného typu. Každá oblast má svůj vlastní kontaktní kolík. Pokud ve vnějších oblastech převažuje elektrická vodivost díry a uprostřed elektronická vodivost (obr. 1, a), pak se takové zařízení nazývá tranzistor struktury p – n – p. Tranzistor se strukturou n – p – n má naopak po okrajích oblasti s elektronickou elektrickou vodivostí a mezi nimi je oblast s děrovou elektrickou vodivostí (obr. 1, b).

Při přivedení kladného napětí na bázi tranzistoru typu n-p-n dochází k jeho otevření, tedy k poklesu odporu mezi emitorem a kolektorem a při přivedení záporného napětí naopak k uzavření a čím silnější je proud, více se otevírá nebo zavírá. U tranzistorů struktury p-n-p je tomu naopak.

Základem bipolárního tranzistoru (obr. 1) je malá destička z germania nebo křemíku s elektronickou nebo dírkovou elektrickou vodivostí, tedy typu n nebo typu p. Kuličky prvků nečistot jsou nataveny na povrch obou stran desky. Při zahřátí na přesně definovanou teplotu dochází k difúzi (pronikání) příměsových prvků do tloušťky polovodičové destičky. V důsledku toho se v tloušťce desky objeví dvě oblasti, které jsou opačné v elektrické vodivosti. Germaniová nebo křemíková deska typu p a v ní vytvořené oblasti typu n tvoří tranzistor struktury n-p-n (obr. 1, a) a deska typu n a v ní vytvořené oblasti typu p tvoří tranzistor. struktury p-n-p (obr. 1, b ).

Bez ohledu na strukturu tranzistoru se jeho deska původního polovodiče nazývá báze (B), oblast menšího objemu naproti ní z hlediska elektrické vodivosti je emitor (E) a další podobná oblast většího objemu je kolektor (K). Tyto tři elektrody tvoří dva p-n přechody: mezi bází a kolektorem - kolektorem a mezi bází a emitorem - emitorem. Každý z nich je svými elektrickými vlastnostmi podobný p-n přechodům polovodičových diod a otevírá se na nich při stejných propustných napětích.

Běžná grafická označení tranzistorů různé struktury se liší pouze tím, že šipka symbolizující emitor a směr proudu přechodem emitoru je u p-n-p tranzistoru obrácena k bázi a u n-p-n tranzistoru je obrácena směrem od báze.

Snímek 26–29.

III. Primární konsolidace.

1. Jaké látky se nazývají polovodiče?
2. Jaký druh vodivosti se nazývá elektronický?
3. Jaká další vodivost je pozorována u polovodičů?
4. O jakých nečistotách nyní víte?
5. Jaký je režim propustnosti p-n přechodu?
6. Jaký je režim blokování p-n přechodu?
7. Jaká polovodičová zařízení znáš?
8. Kde a k čemu se používají polovodičová zařízení?

IV. Upevňování naučeného

1. Jak se mění měrný odpor polovodičů při zahřívání? Pod osvětlením?
2. Bude křemík supravodivý, pokud se ochladí na teplotu blízkou absolutní nule? (ne, odpor křemíku roste s klesající teplotou).

Plán - osnova

lekce fyziky

Téma lekce: Elektrický proud přes polovodičový kontakt RA ntyp.

Polovodičová dioda.

Téma lekce . Elektrický proud přes kontakt

polovodičepAntypy.

Polovodičová dioda.

Účel lekce : vysvětlit mechanismus průchodu elektrického proudu kontaktem polovodičů p antypů, zvážit přímé a reverzní přechody, studovat strukturu a princip činnosti polovodičové diody, zopakovat dříve studovaný materiál pomocí referenčních poznámek a TSO.

Cíle lekce:

Vzdělávací - vytvářet podmínky pro osvojení nového vzdělávacího materiálu s využitím problémového učení;

Představit pojmy přímý a zpětný přechod, polovodičová dioda;

Vývojový - rozvíjet tvůrčí a duševní aktivitu studentů ve třídě řešením problémů výzkumné povahy, intelektuální kvality osobnosti studenta, jako je nezávislost, schopnost hodnotit, zobecňovat a rychle přepínat; podporovat vytváření dovedností pro samostatnou práci; rozvíjet schopnost jasně a jasně vyjádřit své myšlenky.

Vzdělávací - vštípit kulturu duševní práce, vštípit studentům zájem o předmět pomocí informačních technologií (pomocí počítače); rozvíjet schopnost přesně a kompetentně provádět matematické zápisy.

Zařízení : základní noty, sada polovodičů

diody, počítače se softwarem

"Otevřená fyzika".

Kroky lekce

Čas,

min

Techniky a metody

1.Opakování probrané látky

2. Studium nového materiálu: elektrický proud přes polovodičový kontakt

r antyp. Polovodičová dioda.

3. Formování dovedností a schopností.

4. Vstupní kontrola osvojení znalostí. Odraz.

5. Opakování látky.

5. Shrnutí.

6.Domácí úkol.

Konverzace. Průzkum na podpůrné poznámky.

Učitelův příběh. Konverzace. Podpůrné poznámky. Zobrazit animaci krok za krokem.

Odpovědi na studentské otázky.

Průzkum na podpůrné poznámky.

Otevřete program Fyzika

Poselství učitele.

Psaní na tabuli.

Plán lekce

Průběh a obsah lekce.

Úvodní slovo učitele.

Kontrola asimilace studovaného materiálu.

1. Přehled tématu „Zákony stejnosměrného proudu“ - základní shrnutí.

   Elektrický proud v polovodičích.

2.2.1 Struktura polovodičů.

2.2.2 Elektronická vodivost.

2.2.3 Vodivost otvoru.

2.2.4 Vodivost nečistot.

2.2.5 Nečistoty dárců.

2.2.6 Nečistoty akceptoru.

Průzkum mezi studenty se provádí pomocí referenčních poznámek.

2.2.7 Fyzický diktát.

1. Jaká je vlastní vodivost polovodičů?

2. Za jakých podmínek se čisté polovodiče stávají elektricky vodivými?

3. Jak závisí vodivost polovodičů na teplotě?

4. Jaká vodivost polovodičů se nazývá elektronická?

5. Jak se „díry“ objevují v čistém polovodiči?

6. Jakou povahu má proud v polovodiči?

7. Jak přítomnost nečistot v nich ovlivňuje vodivost polovodičů?

8. Za jakých podmínek se vyskytuje elektronická vodivost v příměsovém polovodiči?

9. Za jakých podmínek dochází k děrovému vedení v příměsovém polovodiči?

10. Jak se nazývají polovodiče, ve kterých jsou hlavními nosiči náboje elektrony?

11. Jak se nazývají polovodiče, ve kterých jsou hlavními nosiči náboje díry?

Učení nového materiálu .

3.1 Elektrický proud přes polovodičový kontaktp A ntypy (podle podpůrného shrnutí)

3.1.1 Elektrické vlastnosti "p-n" přechodů.

"p-n" přechod (nebo přechod elektron-díra) je oblast kontaktu dvou polovodičů, kde se vodivost mění z elektronické na díru (nebo naopak).
Takové oblasti mohou být vytvořeny v polovodičovém krystalu zavedením nečistot. V kontaktní zóně dvou polovodičů s různou vodivostí bude probíhat vzájemná difúze. elektrony a díry a vytvoří se blokovací elektrická vrstva Elektrické pole blokovací vrstvy brání dalšímu průchodu elektronů a děr přes hranici. Blokovací vrstva má ve srovnání s ostatními oblastmi polovodiče zvýšený odpor.

Vnější elektrické pole ovlivňuje odpor bariérové ​​vrstvy.
V propustném (průchozím) směru vnějšího elektrického pole prochází elektrický proud rozhraním dvou polovodičů.
Protože elektrony a díry se pohybují k sobě směrem k rozhraní Elektrony, překračující hranici, vyplňují díry. Tloušťka bariérové ​​vrstvy a její odpor se plynule zmenšují.

Při blokování (obrácený směr vnějšího elektrického pole) nebude elektrický proud procházet kontaktní plochou dvou polovodičů.
Protože elektrony a díry se pohybují od hranice v opačných směrech Blokovací vrstva se zahušťuje, její odpor se zvyšuje.

3.2 Polovodičová dioda (shrnutí reference).

Polovodič s jedním "p - n" přechodem se nazývá polovodičová dioda.

Při aplikaci el. pole v jednom směru, odpor polovodiče je vysoký,
v opačném směru - je zde malý odpor.


Polovodičové diody jsou hlavními prvky střídavých usměrňovačů.

3.3 Rozsah použití polovodičových diod .

Výklad látky je doprovázen ukázkou polovodičových diod. Prezentační snímek.

....................

Fixace materiálu.

Podpůrné poznámky.

Počítače – Otevřete program Fyzika.

Zadání domácího úkolu : $73,74.

Shrnutí.

Co je to polovodič a čím se jí?

Polovodič- materiál, bez kterého je moderní svět techniky a elektroniky nemyslitelný. Polovodiče vykazují za určitých podmínek vlastnosti kovů a nekovů. Z hlediska elektrického měrného odporu zaujímají polovodiče střední polohu mezi dobrými vodiči a dielektriky. Polovodič se od vodičů liší silnou závislostí měrné vodivosti na přítomnosti příměsových prvků (nečistotových prvků) v krystalové mřížce a koncentraci těchto prvků, jakož i na teplotě a vystavení různým druhům záření.
Základní vlastnost polovodiče- zvýšení elektrické vodivosti s rostoucí teplotou.
Polovodiče jsou látky, jejichž zakázané pásmo je v řádu několika elektronvoltů (eV). Například diamant lze klasifikovat jako polovodič se širokou mezerou a arsenid india lze klasifikovat jako polovodič s úzkou mezerou.
Pásmová mezera je šířka energetické mezery mezi spodní částí vodivostního pásma a horní částí valenčního pásma, ve které nejsou žádné povolené stavy pro elektron.

Velikost zakázaného pásu je důležitá při generování světla v LED a polovodičových laserech a určuje energii emitovaných fotonů.

Polovodiče zahrnují mnoho chemických prvků: Si křemík, Ge germanium, As arsen, Se selen, Te tellurium a další, stejně jako všechny druhy slitin a chemických sloučenin, například: jodid křemíku, arsenid gallia, telurit rtuti atd.). Obecně platí, že téměř všechny anorganické látky ve světě kolem nás jsou polovodiče. Nejrozšířenějším polovodičem v přírodě je křemík, který podle hrubých odhadů tvoří téměř 30 % zemské kůry.
V závislosti na tom, zda se atom prvku nečistoty vzdá elektronu nebo jej zachytí, se atomy nečistot nazývají donorové nebo akceptorové atomy.

Donorové a akceptorové vlastnosti atomu příměsového prvku závisí také na tom, který atom krystalové mřížky nahrazuje a ve které krystalografické rovině je zasazen.

Jak bylo uvedeno výše, vodivé vlastnosti polovodičů silně závisí na teplotě, a když teplota dosáhne absolutní nuly (-273 °C), polovodiče mají vlastnosti dielektrik.

Podle typu vodivosti se polovodiče dělí na n-typ a p-typ

polovodič typu n

Podle typu vodivosti se polovodiče dělí na n-typ a p-typ.

Do čtyřmocného Si křemíku se přidává nečistota, pětimocný arsen. Během interakce každý atom arsenu vstupuje do kovalentní vazby s atomy křemíku. Zůstává ale pátý volný atom arsenu, který nemá místo v nasycených valenčních vazbách, a přesouvá se na vzdálenou elektronovou dráhu, kde je k odstranění elektronu z atomu potřeba méně energie. Elektron se odlomí a stane se volným, schopným nést náboj. Přenos náboje je tedy prováděn elektronem, nikoli dírou, to znamená, že tento typ polovodiče vede elektrický proud jako kovy.
Antimon Sb také zlepšuje vlastnosti jednoho z nejdůležitějších polovodičů - germania Ge.

polovodič typu p

Polovodič typu p se kromě příměsové báze vyznačuje děrovou povahou vodivosti. Nečistoty, které se v tomto případě přidávají, se nazývají akceptorové nečistoty.
„P-typ“ pochází ze slova „pozitivní“, což se týká kladného náboje většinových nosičů.
Například malé množství trojmocných atomů india je přidáno do polovodiče, čtyřmocného Si křemíku. V našem případě bude indium příměsový prvek, jehož atomy vytvoří kovalentní vazbu se třemi sousedními atomy křemíku. Ale křemík má jednu volnou vazbu, zatímco atom india nemá valenční elektron, takže zachycuje valenční elektron z kovalentní vazby mezi sousedními atomy křemíku a stává se záporně nabitým iontem, vytvářejícím takzvanou díru a v souladu s tím díru. přechod.
Podle stejného schématu In ndium propůjčuje Ge germaniu vodivost otvorů.

Zkoumání vlastností polovodičových prvků a materiálů, studium vlastností kontaktu mezi vodičem a polovodičem, experimentování při výrobě polovodičových materiálů, O.V. Losev vytvořil prototyp moderní LED ve dvacátých letech minulého století.