Corriente eléctrica por contacto de semiconductores con diferentes tipos de conductividad. Transistores. Contacto de semiconductores con diferentes tipos de conductividad.
Los fenómenos más interesantes ocurren cuando los semiconductores de tipo n y p entran en contacto. Estos fenómenos se utilizan en la mayoría de los dispositivos semiconductores. En ellos se produce la recombinación de electrones y huecos. Cuando se forma un contacto, los electrones se mueven parcialmente de un semiconductor tipo n a un semiconductor tipo p, y los huecos se mueven en la dirección opuesta. Como resultado, el semiconductor tipo n se carga positivamente y el tipo p, negativamente. La difusión se detiene después de que comienza el campo eléctrico que surge en la zona de transición para evitar un mayor movimiento de electrones y huecos.
diodos semiconductores
La base de un diodo semiconductor es la unión p-n, que determina sus propiedades, características y parámetros. Según su finalidad, los diodos semiconductores se dividen en diodos rectificadores, diodos de pulso, diodos de alta y ultra alta frecuencia, diodos Zener, diodos de conmutación de tres capas, diodos de túnel, varicaps, fotoeléctricos y LED. Dependiendo del material semiconductor de origen, los diodos se dividen en germanio y silicio. Los diodos de germanio funcionan a temperaturas no superiores a +80 °C, y los diodos de silicio hasta +140 °C. Según su diseño y características tecnológicas, los diodos se dividen en diodos planos y puntuales. Los más comunes son los diodos de aleación planos, cuyo uso sólo resulta difícil a frecuencias más altas. La ventaja de los diodos puntuales es la baja capacitancia de la unión p-n, lo que les permite operar a frecuencias ultraaltas. Los diodos de alta frecuencia son dispositivos universales. Pueden funcionar en rectificadores de CA en un amplio rango de frecuencia, así como en moduladores, detectores y otros convertidores de señales eléctricas no lineales. Los diodos de alta frecuencia suelen contener una unión pn puntual y, por lo tanto, se denominan diodos puntuales. Los diodos de conmutación son un tipo de diodo de alta frecuencia y están diseñados para usarse como elementos clave en circuitos de conmutación de alta velocidad. Los diodos Zener son diodos planos de silicio diseñados para estabilizar el nivel de voltaje de CC en un circuito cuando la corriente a través del diodo varía dentro de ciertos límites. Un varicap es un diodo semiconductor especialmente diseñado que se utiliza como condensador variable. Un fotodiodo es un dispositivo fotoeléctrico semiconductor con un efecto fotoeléctrico interno que refleja el proceso de conversión de energía luminosa en energía eléctrica. Los LED (diodos electroluminiscentes) convierten la energía del campo eléctrico en radiación óptica no térmica llamada electroluminiscencia. Un diodo túnel es un diodo semiconductor que utiliza el fenómeno de ruptura del túnel cuando se enciende en dirección directa.
REACCIÓN EN CADENA NUCLEAR.
Es un proceso en el que una reacción llevada a cabo provoca reacciones posteriores del mismo tipo. Durante la fisión de un núcleo de uranio, los neutrones resultantes pueden provocar la fisión de otros núcleos de uranio, y el número de neutrones aumenta como una avalancha.
La reacción en cadena va acompañada de la liberación de una gran cantidad de energía. Para llevar a cabo una reacción en cadena no es posible utilizar ningún núcleo que se fisione bajo la influencia de neutrones. El elemento químico uranio, utilizado como combustible para reactores nucleares, consta naturalmente de dos isótopos: uranio-235 y uranio-238.
En la naturaleza, los isótopos de uranio-235 representan sólo el 0,7% de la reserva total de uranio, pero son los adecuados para llevar a cabo una reacción en cadena, porque fisión bajo la influencia de neutrones lentos. La primera reacción en cadena controlada: Estados Unidos en 1942 (E. Fermi)
En la URSS - 1946 (I.V. Kurchatov).
REACTOR NUCLEAR - Se trata de un dispositivo de una central nuclear para producir energía atómica.
Finalidad de un reactor nuclear: convertir la energía interna de un núcleo atómico en energía eléctrica.
En un reactor nuclear se produce una reacción en cadena controlada de fisión nuclear. Todas las centrales nucleares (centrales nucleares) están equipadas con reactores nucleares.
Operación del reactor:
El reactor funciona con neutrones lentos. El núcleo del reactor contiene combustible nuclear (barras de uranio) y un moderador (agua). El agua que rodea las barras de uranio no sólo es un moderador de neutrones, sino que también sirve para eliminar el calor, porque La energía interna de los fragmentos voladores se transforma en la energía interna del medio ambiente: el agua. El núcleo está rodeado por un reflector para el retorno de neutrones y una capa protectora de hormigón.
Alcanzar la masa crítica del combustible se consigue introduciendo barras de control (hasta alcanzar la masa de uranio = masa crítica).
La zona activa está conectada en un anillo a través de tuberías (1er circuito).
El agua es bombeada a través de las tuberías del circuito mediante una bomba y cede su energía al serpentín del intercambiador de calor, calentando el agua del serpentín (en el 2º circuito).
El agua del serpentín se convierte en vapor, cuya temperatura puede alcanzar los 540 grados.
El vapor hace girar la turbina, la energía del vapor se convierte en energía mecánica.
El eje de la turbina hace girar el rotor del generador eléctrico, convirtiendo la energía mecánica en energía eléctrica.
El vapor de escape (enfriado) ingresa al condensador, donde se convierte en agua y regresa al primer circuito. La primera central nuclear se construyó en Obninsk (URSS).
Ventajas de las centrales nucleares: los reactores nucleares no consumen oxígeno ni combustible orgánico. No contaminan el medio ambiente con cenizas ni productos combustibles orgánicos nocivos para los humanos. Durante el funcionamiento normal de las centrales nucleares, la biosfera está protegida de forma fiable contra los efectos radiactivos.
Desventajas de las centrales nucleares: necesidad de eliminar residuos radiactivos y desmantelar reactores antiguos. Peligro de contaminación radiactiva de la zona durante liberaciones de emergencia. El peligro de los desastres ambientales (1986 - Central nuclear de Chernobyl).
Boleto 19
1.TRANSISTOR, un dispositivo semiconductor diseñado para amplificar y controlar la corriente eléctrica. Los transistores se fabrican como componentes discretos en paquetes individuales o como elementos activos, los llamados. Circuitos integrados, cuando sus dimensiones no excedan de 0,025 mm. Debido a que los transistores son muy fáciles de adaptar a diferentes condiciones de aplicación, han reemplazado casi por completo a los tubos de vacío. Una de las primeras aplicaciones industriales del transistor se encontró en las estaciones de conmutación telefónica. El primer producto de consumo que utilizó transistores fueron los audífonos, que salieron a la venta en 1952. Hoy en día, los transistores y los circuitos integrados multitransistores se utilizan en todo, desde radios hasta sistemas de vigilancia terrestres y aéreos en las fuerzas de misiles. La lista de aplicaciones de los transistores es casi interminable y sigue creciendo. En 1954 se produjeron poco más de 1 millón de transistores. Ahora bien, esta cifra es imposible siquiera de indicarla. Inicialmente, los transistores eran muy caros. Hoy en día, los dispositivos de procesamiento de señales de transistores se pueden comprar por unos pocos centavos.
Un termistor es una resistencia semiconductora cuya resistencia eléctrica depende significativamente de la temperatura. El termistor se caracteriza por un gran coeficiente de resistencia a la temperatura (TCR) (decenas de veces mayor que este coeficiente para los metales), simplicidad de diseño, capacidad para operar en diversas condiciones climáticas bajo cargas mecánicas significativas y estabilidad de las características a lo largo del tiempo. El termistor fue inventado por Samuel Ruben en 1930 y tiene patente.
FOTORESISTOR
Una resistencia semiconductora que cambia su electricidad. resistencia bajo influencia externa el.-magn. radiación. Pertenecen a receptores de radiación fotoeléctrica, su principio de funcionamiento se basa en el interno. Efecto fotoeléctrico en semiconductores. Para ampliar las funciones y capacidades de F., se complementan con filtros, lentes, rásteres y ajustes preestablecidos. amplificadores, termostatos, iluminación, sistemas de refrigeración, etc. Parámetros básicos de un fotorresistor: resistencia a la oscuridad (10 1 -10 14 ohmios); rango de sensibilidad espectral (0,5-120 µm); constante de tiempo (10 -2 - 10 -9 s); sensibilidad al voltaje (10 3 -10 6 V/W); capacidad de detección (10 8 -10 16 cm Hz 1/2 W -1); coeficiente de temperatura sensibilidad (0,1-5%/K); tensión de funcionamiento (0,1 -100 V).
Reacciones termonucleares
En 1939, el famoso físico estadounidense Bethe formuló una teoría cuantitativa de las fuentes nucleares de energía estelar. Como sabes, las estrellas están formadas principalmente por hidrógeno (aunque hay excepciones), por lo que la probabilidad de que se produzca una colisión entre dos protones es muy alta. Cuando un protón choca con otro protón, puede ser atraído hacia el núcleo debido a las fuerzas nucleares. Las fuerzas nucleares actúan a distancias del orden del tamaño del propio núcleo (es decir, 10 m). Para acercarse al núcleo a una distancia tan corta, el protón debe superar una fuerza de repulsión electrostática muy importante. Después de todo, el núcleo también está cargado positivamente.
Boleto 20
CORRIENTE ELÉCTRICA EN VACÍO
crear correo electrónico La corriente en el vacío es posible si se utiliza una fuente de partículas cargadas.
La acción de una fuente de partículas cargadas puede basarse en el fenómeno de la emisión termoiónica: se trata de la emisión de electrones por cuerpos sólidos o líquidos cuando se calientan a temperaturas correspondientes al brillo visible de un metal caliente.
diodo de vacío
Un diodo de vacío es un tubo de electrones de dos electrodos (A - ánodo y K - cátodo).
Dentro del recipiente de vidrio se crea una presión muy baja.
H - filamento colocado dentro del cátodo para calentarlo. La superficie del cátodo calentado emite electrones. Si el ánodo está conectado a + de la fuente de corriente y el cátodo a -, entonces fluye una corriente termoiónica constante en el circuito. El diodo de vacío tiene conductividad unidireccional. Aquellos. La corriente en el ánodo es posible si el potencial del ánodo es mayor que el potencial del cátodo. En este caso, los electrones de la nube de electrones son atraídos hacia el ánodo, creando una corriente eléctrica en el vacío.
Aplicación de la energía atómica.
El uso de la energía nuclear en el mundo moderno resulta ser tan importante que si mañana nos despertáramos y la energía de la reacción nuclear hubiera desaparecido, el mundo tal como lo conocemos probablemente dejaría de existir. El uso de la energía nuclear crea muchos problemas. Básicamente, todos estos problemas están relacionados con el hecho de que, al utilizar la energía de unión del núcleo atómico para su beneficio, una persona recibe un daño importante en forma de desechos altamente radiactivos que no se pueden simplemente desechar. Los residuos de fuentes de energía nuclear deben procesarse, transportarse, enterrarse y almacenarse durante mucho tiempo en condiciones seguras.
Pros y contras, beneficios y daños del uso de energía nuclear.
Consideremos los pros y los contras del uso de la energía atómica-nuclear, sus beneficios, daños y significado en la vida de la Humanidad. Es evidente que hoy en día sólo los países industrializados necesitan la energía nuclear. Es decir, la energía nuclear con fines pacíficos se utiliza principalmente en instalaciones como fábricas, plantas de procesamiento, etc. Son las industrias de alto consumo energético alejadas de fuentes de electricidad barata (como las centrales hidroeléctricas) las que utilizan centrales nucleares para asegurar y desarrollar sus procesos internos.
Las regiones y ciudades agrarias no tienen mucha necesidad de energía nuclear. Es muy posible reemplazarlo con estaciones térmicas y de otro tipo. Resulta que el dominio, la adquisición, el desarrollo, la producción y el uso de la energía nuclear están destinados en su mayor parte a satisfacer nuestras necesidades de productos industriales. Veamos qué tipo de industrias son: industria automotriz, producción militar, metalurgia, industria química, complejo de petróleo y gas, etc.
¿Quiere una persona moderna conducir un coche nuevo? ¿Quieres vestirte con prendas sintéticas a la moda, comer prendas sintéticas y empacar todo en prendas sintéticas? ¿Quieres productos coloridos en diferentes formas y tamaños? ¿Quiere todos los teléfonos, televisores y computadoras nuevos? ¿Quieres comprar mucho y cambiar con frecuencia el equipo que te rodea? ¿Quieres comer deliciosos alimentos químicos en paquetes de colores? ¿Quieres vivir en paz? ¿Quieres escuchar dulces discursos desde la pantalla del televisor? ¿Quiere que haya muchos tanques, además de misiles y cruceros, además de proyectiles y armas de fuego?
¿Quiere?
Y lo consigue todo. No importa que al final la discrepancia entre palabra y obra conduzca a la guerra. No importa que reciclar también requiera energía. Por ahora el hombre está tranquilo. Come, bebe, va a trabajar, vende y compra.
Y todo esto requiere energía. Y esto también requiere mucho petróleo, gas, metal, etc. Y todos estos procesos industriales requieren energía nuclear. Por lo tanto, digan lo que digan, hasta que no se ponga en producción el primer reactor industrial de fusión termonuclear, la energía nuclear no hará más que desarrollarse.
Podemos enumerar con seguridad todo aquello a lo que estamos acostumbrados como ventajas de la energía nuclear. La desventaja es la triste perspectiva de una muerte inminente debido al colapso del agotamiento de los recursos, los problemas de los desechos nucleares, el crecimiento demográfico y la degradación de las tierras cultivables. En otras palabras, la energía nuclear permitió al hombre comenzar a tomar aún más control sobre la naturaleza, violándola sin medida hasta tal punto que en pocas décadas superó el umbral de reproducción de los recursos básicos, lanzando el proceso de colapso del consumo entre 2000 y 2000. y 2010. Este proceso objetivamente ya no depende de la persona. Todos tendrán que comer menos, vivir menos y disfrutar menos del entorno natural. Aquí radica otra ventaja o desventaja de la energía nuclear, y es que los países que han dominado el átomo podrán redistribuir más eficazmente los escasos recursos de aquellos que no lo han dominado. Además, sólo el desarrollo del programa de fusión termonuclear permitirá a la humanidad simplemente sobrevivir. Ahora expliquemos en detalle qué tipo de "bestia" es esta: la energía atómica (nuclear) y con qué se come.
Boleto 21
1. Ley de la electrólisis
1833 - Faraday
La ley de la electrólisis determina la masa de una sustancia liberada sobre el electrodo durante la electrólisis durante el paso de la corriente eléctrica. 
k es el equivalente electroquímico de una sustancia, numéricamente igual a la masa de la sustancia liberada sobre el electrodo cuando una carga de 1 C pasa a través del electrolito.
Conociendo la masa de la sustancia liberada, se puede determinar la carga del electrón.
2. Preparación de isótopos radiactivos y su aplicación.
De todos los isótopos que conocemos, sólo los isótopos de hidrógeno tienen sus propios nombres. Por tanto, los isótopos 2H y 3H se denominan deuterio y tritio y se denominan D y T, respectivamente (el isótopo 1H a veces se denomina protio).
Solicitud isótopos Uno de los estudios más destacados realizados con “átomos marcados” fue el estudio del metabolismo en los organismos. Se ha comprobado que en un tiempo relativamente corto el cuerpo sufre una renovación casi completa. Los átomos que lo componen son sustituidos por otros nuevos. Sólo el hierro, como lo han demostrado los experimentos realizados mediante estudios isotópicos de la sangre, es una excepción a esta regla. El hierro forma parte de la hemoglobina de los glóbulos rojos. Cuando se introdujeron átomos de hierro radiactivo en los alimentos, se descubrió que el oxígeno libre liberado durante la fotosíntesis era originalmente parte del agua, no del dióxido de carbono. Los isótopos radiactivos se utilizan en medicina, tanto con fines diagnósticos como terapéuticos.
Boleto 22
1.PLASMA– un gas parcial o totalmente ionizado formado a partir de átomos neutros y partículas cargadas (iones y electrones). La característica más importante del plasma es su cuasineutralidad, lo que significa que las densidades de volumen de las partículas con carga positiva y negativa a partir de las cuales se forma son casi las mismas. Un gas pasa al estado de plasma si algunos de sus átomos constituyentes, por alguna razón, han perdido uno o más electrones, es decir, convertido en iones positivos. En algunos casos, también pueden aparecer iones negativos en el plasma como resultado de la “unión” de electrones a átomos neutros. El plasma es el cuarto estado de la materia, obedece las leyes de los gases y se comporta como un gas en muchos aspectos. El término "plasma", aplicado a un gas ionizado casi neutro, fue introducido por los físicos estadounidenses Langmuir y Tonks en 1923 al describir los fenómenos en una descarga de gas. Hasta entonces, la palabra "plasma" era utilizada únicamente por fisiólogos y denotaba un componente líquido incoloro de la sangre, la leche o el tejido vivo, pero pronto el concepto de "plasma" entró firmemente en el diccionario físico internacional y se utilizó ampliamente.
2. Efectos biológicos de la radiación radiactiva no se estableció de inmediato. Becquerel, que descubrió la radiactividad en 1896, ni siquiera sospechaba del efecto biológico de este tipo de radiación. En 1898, Maria Skladovskaya-Curie y Pierre Curie descubrieron el radio y Becquerel introdujo algunos miligramos en un tubo de ensayo de vidrio para su investigación y se lo guardó en el bolsillo del pecho. Después de un tiempo, se formó una úlcera dolorosa que no cicatrizaba en el cuerpo opuesto a la bolsa. Lo obligaron a consultar a un médico, la úlcera se curó, pero después de un tiempo se abrió de nuevo. Todos los científicos que trabajaban con elementos radiactivos tenían las manos cubiertas de úlceras que no cicatrizaban. Antes de que se estableciera el efecto biológico de la radiación penetrante, la ciencia sufrió pérdidas irreparables. María y Pierre Curie, Irene y Frédéric Curie y V. Kurchatov mueren a causa de la enfermedad por radiación. Hasta la fecha, la ciencia ha establecido suficientes hechos en esta área. Pero el mecanismo del efecto de la radiación penetrante sobre una célula no está completamente establecido. El efecto de la radiación sobre los organismos vivos se caracteriza por la dosis de radiación. La radiación natural de fondo por año es de 2*10 -3 Gy por persona (1 Gy=1J/kg). Una dosis de radiación de 3 a 10 Gy recibida en poco tiempo es letal.
Boleto 23
1. Estructura de cuerpos gaseosos, líquidos y sólidos.
Gases. En los gases, la distancia entre átomos o moléculas es, en promedio, muchas veces mayor que el tamaño de las propias moléculas. Por ejemplo, a presión atmosférica el volumen de un recipiente es decenas de miles de veces mayor que el volumen de las moléculas que contiene. Los gases se comprimen fácilmente y la distancia promedio entre las moléculas disminuye, pero la forma de la molécula no cambia. Las moléculas se mueven a velocidades enormes (cientos de metros por segundo) en el espacio. Cuando chocan, rebotan entre sí en diferentes direcciones como bolas de billar. Las débiles fuerzas de atracción de las moléculas de gas no pueden mantenerlas cerca unas de otras. Por tanto, los gases pueden expandirse sin limitación. No conservan ni forma ni volumen. Numerosos impactos de moléculas en las paredes del recipiente crean presión de gas. Líquidos. Las moléculas de líquido están ubicadas casi cerca unas de otras, por lo que una molécula de líquido se comporta de manera diferente que una molécula de gas. En los líquidos existe el llamado orden de corto alcance, es decir, la disposición ordenada de las moléculas se mantiene a distancias iguales a varios diámetros moleculares. Sólidos. Los átomos o moléculas de sólidos, a diferencia de los átomos y moléculas de líquidos, vibran alrededor de ciertas posiciones de equilibrio. Por esta razón, los sólidos conservan no sólo el volumen, sino también la forma. La energía potencial de interacción entre las moléculas de un cuerpo sólido es significativamente mayor que su energía cinética.
2. Tres etapas en el desarrollo de la física de partículas
1
. Del electrón al positrón: 1897-1932. Cuando el filósofo griego Demócrito llamó átomos a las partículas más simples e indivisibles, todo le pareció, en principio, no muy complicado. Pero a finales del siglo XIX se descubrió la compleja estructura de los átomos y se aisló el electrón como parte integral del átomo. Luego, ya en el siglo XX, se descubrieron el protón y el neutrón, partículas que forman el núcleo atómico.
2
. De positrones a quarks: 1932-1970 (Todas las partículas elementales se transforman unas en otras)
Todo resultó ser mucho más complicado: resultó que no hay ninguna partícula inmutable. La palabra partícula elemental tiene en sí misma un doble significado. Por un lado, los elementales más sencillos. Por elemental, en cambio, entendemos algo fundamental que se encuentra en la base de las cosas.
3
. Desde la hipótesis de los quarks (1964) hasta la actualidad. En los años 60 surgieron dudas de que todas las partículas que ahora se llaman elementales justificaran plenamente este nombre. El descubrimiento de una partícula elemental siempre ha sido y sigue siendo un triunfo destacado de la ciencia. Los triunfos comenzaron a sucederse literalmente uno tras otro. Se descubrió un grupo de las llamadas partículas "extrañas": mesones K e hiperones con masas superiores a la masa de los nucleones. En los años 70 se les añadió un gran grupo de partículas "encantadas" con masas aún mayores. Además, se descubrieron partículas de vida corta con una vida útil del orden de 10-22-10-23 s. Estas partículas se llamaron resonancias y su número superaba las doscientas. Fue entonces, en 1964, cuando M. Gell-Mann y J. Zweig propusieron un modelo según el cual todas las partículas que participan en interacciones fuertes se construyen a partir de partículas más fundamentales: los quarks. En la actualidad casi nadie duda de la realidad de los quarks, aunque no han sido descubiertos en estado libre.
Boleto 24
1. Leyes de los gases Proceso isotérmico (ley de Boyle Mariotto). El proceso de cambiar el estado de un sistema de cuerpos macroscópicos a temperatura constante. Para mantener una temperatura constante del gas, es necesario que pueda intercambiar calor con un sistema grande: un termostato. De lo contrario, durante la compresión o expansión, la temperatura del gas cambiará. Para un gas de una masa determinada a temperatura constante, el producto de la presión del gas por su volumen es constante. Esta ley fue descubierta experimentalmente (1627-1691). La ley de Boyle-Mariotte suele ser válida para cualquier gas, así como para sus mezclas, por ejemplo, el aire.
Sólo a presiones varios cientos de veces mayores que la presión atmosférica las desviaciones de esta ley se vuelven significativas. La dependencia de la presión del gas con respecto al volumen a temperatura constante se representa gráficamente mediante una curva llamada isoterma.
Proceso isobárico. El proceso de cambiar el estado de un sistema termodinámico a presión constante se llama isobárico.
Para un gas de una masa determinada a presión constante, la relación entre el volumen y la temperatura es constante. Esta ley fue establecida experimentalmente en 1802 por el científico francés J. Gay-Lussac (1778-1850). Esta dependencia se representa gráficamente mediante una línea recta, que se llama isobara; diferentes presiones corresponden a diferentes isobaras. Al aumentar la presión, el volumen de gas a temperatura constante disminuye según la ley de Boyle-Mariotte. Por lo tanto, la isobara correspondiente a la presión más alta p 2 se encuentra debajo de la isobara correspondiente a la presión más baja p 1 .
Proceso isocórico. El proceso de cambiar el estado de un sistema termodinámico a volumen constante se llama isocórico. Para un gas de una masa determinada, la relación entre presión y temperatura es constante si el volumen no cambia. Esta ley de los gases fue establecida en 1787 por el físico francés J. Charles (1746-1823) y se llama ley de Charles. Esta dependencia se representa mediante una línea recta llamada isocora. Diferentes isocoros corresponden a diferentes volúmenes. A medida que el volumen de un gas aumenta a temperatura constante, su presión disminuye según la ley de Boyle-Mariotte. Por lo tanto, la isocora correspondiente al volumen mayor V 2 se encuentra debajo de la isocora correspondiente al volumen menor V 1 .
DESCUBRIMIENTO DEL POSITRON. ANTIPARTICULAS
La existencia del gemelo del electrón, el positrón, fue predicha teóricamente por el físico inglés P. Dirac en 1931. Al mismo tiempo, predijo que cuando un positrón se encuentra con un electrón, ambas partículas deberían desaparecer, generando fotones de alta energía. También puede ocurrir el proceso inverso: el nacimiento de un par electrón-positrón, por ejemplo: cuando un fotón de energía suficientemente alta choca con un núcleo. Dos años más tarde, el positrón fue descubierto utilizando una cámara de niebla colocada en un campo magnético. La dirección de curvatura de la pista de partículas estaba indicada por el signo de su carga. A partir del radio de curvatura y la energía de la partícula, se determinó la relación entre su carga y su masa. Resultó tener el mismo módulo que el del electrón. Hubo un tiempo en que el descubrimiento del nacimiento y aniquilación de los pares electrón-positrón causó sensación en la ciencia. Hasta entonces, nadie había imaginado que el electrón, la partícula más antigua, el material de construcción más importante de los átomos, podría no ser eterno. Posteriormente, se encontraron gemelos (antipartículas) en todas las partículas. Las antipartículas se oponen a las partículas precisamente porque cuando cualquier partícula se encuentra con la antipartícula correspondiente, se produce su aniquilación. Ambas partículas desaparecen, convirtiéndose en cuantos de radiación u otras partículas. Descubiertos relativamente recientemente: antiprotón y antineutrón. La carga eléctrica del antiprotón es negativa. Los átomos cuyo núcleo está formado por antinucleones y una capa de positrones forman antimateria. En 1969 se obtuvo por primera vez en nuestro país el antihelio.
Boleto 25
1. La notación matemática de la ley universal de los gases es sencilla:
pV = nRT. Contiene las principales características del comportamiento de los gases: p, V y T son la presión, el volumen y la temperatura absoluta del gas, respectivamente, R es la constante universal de los gases común a todos los gases, y n es un número proporcional al número de moléculas o átomos del gas. Esta ley es lo que en física comúnmente se llama ecuación de estado de la materia, ya que describe la naturaleza de los cambios en las propiedades de la materia cuando cambian las condiciones externas. Estrictamente hablando, esta ley es exactamente cierta sólo para un gas ideal. Esta fórmula fue obtenida en 1874 por D. I. Mendeleev combinando la ley de Avogadro y la ley general de los gases (pV/T = const), formulada en 1834 por B. P. E. Clapeyron. Por lo tanto, esta ley suele denominarse ley de Mendeleev-Clapeyron. En esencia, esta ley permitió introducir todas las conclusiones empíricas anteriores sobre la naturaleza del comportamiento de los gases en el marco de la nueva teoría cinética molecular.
La unión pn o unión electrón-hueco es el contacto de dos semiconductores con conductividad de electrones y huecos. Estas uniones juegan un papel importante en la electrónica moderna. Al poseer conductividad unidireccional, las uniones p-n se utilizan para rectificar la corriente alterna como productos independientes (diodos), permiten la creación de dispositivos para controlar la corriente eléctrica (transistores) y también se utilizan en circuitos integrados para aislar sus elementos.
En la figura 4.3. Se muestra el diagrama de la unión p-n.
Fig.4.3. Diagrama de una unión p-n: distribución de carga espacial (a) e impurezas (b), diagrama de bandas en semiconductores tipo n y p (c) y en una unión p-n (d).
Las cargas espaciales formadas en la región de la unión pn crean una barrera potencial al paso de los operadores de telefonía móvil. Al controlar el valor de la barrera, puede cambiar la cantidad de corriente en el circuito eléctrico.
La diferencia de potencial de contacto resultante (la magnitud de la barrera de potencial) se determina a partir de la expresión
dónde p p , n n – concentración de equilibrio de los principales portadores;
n i es la concentración de portadores intrínsecos.
Campo eléctrico en la región de carga espacial. (d=d p +d n) está determinada por la ley de distribución de estas cargas y se puede encontrar a partir de la solución de la ecuación de Poisson.
Para dp≤incógnita≤0 (4.9)
Para 0 ≤incógnita≤re n (4.10)
considerando que mi=dφ/dx puedes obtener una expresión para φ(x)
en 0≤x≤d norte; (4.11)
en dp ≤x≤0 (4.12)
Espesor de la región de carga espacial (d=d p +d n)
donde U es el voltaje externo aplicado.
Para una transición asimétrica, cuando N D >>N A la ecuación se simplifica
Al volver a activar la transición (- a pag- áreas, + a norte- región) la capa de carga espacial se puede considerar como una especie de condensador con una capacitancia (C b), llamado barrera.
Característica corriente-tensión. Consideremos la característica corriente-voltaje de la unión p-n. Como en el caso de un contacto metal-semiconductor, el tipo de característica corriente-voltaje depende significativamente de la estructura de la unión pn, más precisamente, de su espesor. Por lo tanto, si el espesor de una unión pn es menor que el camino libre medio de la portadora (unión delgada), entonces los electrones o los huecos vuelan a través de la unión sin chocar con la red. En el caso de una unión gruesa, cuando su ancho excede significativamente el recorrido libre medio, el transporte de portadores de carga tiene carácter de difusión. Sin embargo, dado que, a diferencia del contacto metal-semiconductor en una unión p-n, la transferencia de corriente se realiza mediante portadores de carga minoritarios, lo principal no es la naturaleza de la transferencia, sino la intensidad de generación y recombinación de los portadores en la región del unión p-n. En el caso de una transición delgada, la recombinación en la capa de carga espacial es insignificante. Por el contrario, en una unión pn gruesa, una parte importante de los portadores minoritarios se recombinan, lo que debería afectar notablemente la forma de la característica corriente-tensión.
Consideremos primero la característica corriente-voltaje de una unión delgada. Los portadores de carga pasan a través de una transición delgada sin tener tiempo de recombinarse, por lo que tanto las corrientes de huecos como las corrientes de electrones en ambos lados de la transición p-n son iguales. La corriente de hueco en el límite de la capa de carga espacial en el lado del semiconductor electrónico en x = -L n está completamente determinada por el componente de difusión, ya que en este punto la intensidad del campo eléctrico es cero.
La densidad de corriente del agujero en este caso.
Se puede obtener una expresión similar para la densidad de corriente de electrones. :
La corriente total que fluye a través de la unión pn se puede calcular en cualquier sección (S) de la muestra. La forma más sencilla de calcularlo es en el límite de la unión pn,
Yo =S(Jp + Jp)(4.18)
De la fórmula resultante queda claro que en la dirección de avance la corriente aumenta exponencialmente al aumentar el voltaje, y en la dirección de cierre tiende a la corriente de saturación. ES, causado por la generación térmica de portadores minoritarios en el límite de la unión pn Y independiente del voltaje externo:
Si la transición p-n es marcadamente asimétrica, entonces uno de los términos de la fórmula (4.20) será extremadamente pequeño. De hecho, supongamos, por ejemplo, que la región n esté mucho más dopada que la región p. Entonces, de acuerdo con la ley de acción de masas, tenemos p no<
En general, el grado de asimetría de la unión p-n se caracteriza por un parámetro llamado relación de inyección . El coeficiente de inyección es igual a la relación entre el componente de corriente más grande y la corriente total. En caso nn >>p p el coeficiente de inyección es igual a
Consideremos a continuación la característica corriente-tensión de una unión gruesa usando el ejemplo del llamado diodo pin. La estructura de dicho diodo consta de dos capas de tipo n y p, separadas por una capa de conductividad intrínseca de alta resistividad con un espesor de d. En un diodo de este tipo, ya no es posible descuidar los procesos de generación y recombinación dentro de la unión p-n. En el caso de que la diferencia de potencial externa se active en la dirección de cierre, se generan portadores de carga en la capa i intermedia a una velocidad n i /τ i . Cuando el voltaje se activa en la dirección directa, se produce la recombinación de los portadores inyectados en esta capa y la densidad de corriente asociada con la generación y recombinación de los portadores en la capa intermedia de espesor d es igual a
donde τ i es la vida útil de los portadores intrínsecos;
n i es la concentración intrínseca de portadores.
La corriente total que fluye a través de una unión pin se puede considerar como la suma de la corriente calculada sin tener en cuenta la generación y recombinación dentro de la unión y el componente de generación-recombinación:
La fórmula resultante es válida no sólo en el caso de una capa i claramente definida, sino también con un cambio suave en la concentración de impurezas en la región de una unión p-n convencional. En este caso, el papel del parámetro. d el ancho total juega un papel páginas- transición. De la fórmula (4.24) se sigue una condición para determinar si una determinada transición p-n pertenece a la categoría de delgada o gruesa: si el tercer término entre paréntesis es significativamente menor que la suma de los dos primeros, entonces la transición puede considerarse delgada . De lo contrario, la unión pn debe considerarse gruesa.
Descomponer pn transición. Con un aumento en el voltaje inverso en la unión p-n, cuando se alcanza un cierto valor de voltaje U de las muestras, comienza un fuerte aumento en la corriente a través del diodo, lo que lleva a una falla. La intensidad del campo eléctrico promedio en la región de carga espacial de la unión p-n se puede escribir como
E=V/d= (q/2εε 0) 1/2 (UN D) 1/2 (4.25)
Dado que la descomposición comienza cuando se alcanza un cierto valor (para cada condición específica) de la intensidad del campo eléctrico E, más d(menos N D), cuanto mayor es el voltaje de muestra U, comienza la ruptura. Obviamente, la unión p-i-n tiene las muestras U más grandes, ya que ND en su base es más pequeño, y el ancho de la región de carga espacial d mayor.
Heterouniones. A diferencia de una unión p-n formada por un cambio en la concentración de impurezas en un material semiconductor (homounión), Una heterounión es una unión formada por semiconductores de diferente naturaleza fisicoquímica. Ejemplos de heterouniones pueden ser transiciones germanio - silicio, germanio - arseniuro de galio, arseniuro de galio - fósforo de galio, etc. Para obtener heterouniones con un número mínimo de defectos en la interfaz de la red cristalina. un semiconductor debería transformarse en la red cristalina de otro con una interrupción mínima. En este sentido, los semiconductores utilizados para crear una heterounión deben tener constantes de red similares y estructuras cristalinas idénticas. De mayor interés práctico en la actualidad son las heterouniones formadas por semiconductores con diferentes bandas prohibidas, y no solo las heterouniones entre semiconductores de tipo p y n, sino también las heterouniones entre semiconductores con un tipo de conductividad: n-n o p tienen propiedades interesantes para dispositivos semiconductores. r.
Consideremos el diagrama de energía de una heterounión entre un semiconductor de tipo n con una banda prohibida amplia y un semiconductor de tipo p con una banda prohibida estrecha (figura 4.4). Se toma como punto de referencia (0) la energía de un electrón situado en el vacío. Magnitud χ en este caso, la verdadera función de trabajo del electrón. Del semiconductor al vacío. La función de trabajo termodinámico se designa A.
Cuando se realiza un contacto entre dos semiconductores, los niveles de Fermi se igualan. Las diferencias entre una heterounión y el diagrama de energía de una unión pn radican en la presencia de discontinuidades en la banda de conducción (Δ CE) y en la banda de valencia (Δ E V). En la zona. Conductividad, la magnitud de la brecha está determinada por la diferencia en las funciones de trabajo verdaderas de los electrones de los semiconductores p y n:
ΔE C = χ 2 – χ 1 (4.26)
y en la banda de valencia, además, también hay desigualdad en los valores energéticos EV.
Por tanto, las barreras de potencial para los electrones y los huecos serán diferentes: la barrera de potencial para los electrones en la banda de conducción es menor que para los huecos en la banda de valencia. Cuando se aplica un voltaje en dirección directa, la barrera de potencial para los electrones disminuirá y los electrones de norte-Se inyecta un semiconductor. r-semiconductor. Posible barrera para agujeros en r-el área también disminuirá, pero seguirá siendo lo suficientemente grande para la inyección de agujeros desde r-regiones en norte-la zona era prácticamente inexistente. En este caso, el coeficiente de inyección (γ) puede ser igual a la unidad.
Arroz. 4.4. Diagrama de energía de dos semiconductores. pag- y tipo n con diferentes bandas prohibidas (a) y р–n heterounión (b)
Para lograr los mejores parámetros del dispositivo, este valor debe ser máximo. En una homounión, esto se logra mediante un dopaje más fuerte de la región n con impurezas en relación con la región p. Sin embargo, este camino no se puede seguir infinitamente, ya que, por un lado, existe un límite para la solubilidad de la impureza en el semiconductor y, por otro lado, cuando el semiconductor está fuertemente dopado, se introducen en él muchos defectos diferentes. simultáneamente con la impureza, lo que empeora los parámetros de la unión p-n. En este sentido, el uso de una heterounión es prometedor.
Si una heterounión está formada por semiconductores con igual cantidad de impurezas (p p =p pag ) y por simplicidad asumimos que las masas efectivas y otros parámetros de los portadores de carga son iguales, entonces podemos escribir
I p /I n =exp[-(E gn –E g pag )/kT](4.27)
Cuando se utilizan, por ejemplo, n-silicio y p-germanio E gn –E gp =0,4 eV. Porque kT/q=0,025 B, entonces 1 r / 1 p = mi - 16 , que es prácticamente igual a cero, es decir, la corriente a través de la heterounión consiste únicamente en electrones inyectados desde norte-área en r-región. En una homounión en las mismas condiciones. yo r / yo n=:1, es decir, las corrientes de electrones y huecos son iguales.
Por tanto, la heterounión permite la inyección casi unilateral de portadores de carga. Es importante señalar que la inyección unilateral se conserva incluso con un aumento de la corriente a través de la heterounión, mientras que en la homounión se interrumpe.
« Física - décimo grado"
¿Qué portadores de corriente en un semiconductor son mayoritarios y cuáles minoritarios?
¿En qué se diferencia la conductividad de las impurezas de la conductividad intrínseca?
Los fenómenos más interesantes ocurren cuando los semiconductores de tipo n y p entran en contacto. Estos fenómenos se utilizan en la mayoría de los dispositivos semiconductores.
p-n-transición.
Consideremos lo que sucederá si ponemos en contacto dos semiconductores idénticos, pero con diferentes tipos de conductividad: a la izquierda hay un semiconductor de tipo n y a la derecha, un semiconductor de tipo p (figura 16.10).
El contacto de dos semiconductores con diferentes tipos de conductividad se llama pn- o unión n-p.
Los electrones en la figura se muestran en círculos azules, los agujeros en gris.
En el lado izquierdo hay muchos electrones libres y en el lado derecho su concentración es muy baja. En el lado derecho, por el contrario, hay muchos huecos, es decir, lugares vacíos para los electrones. Tan pronto como los semiconductores entran en contacto, los electrones comienzan a difundirse desde la región con conductividad de tipo n a la región con conductividad de tipo p y, en consecuencia, la transición de los agujeros en la dirección opuesta. Los electrones que han pasado al semiconductor tipo p ocupan espacios libres, se produce el proceso de recombinación de electrones y huecos, y los huecos que han entrado al semiconductor tipo n también desaparecen debido a que los electrones ocupan el espacio vacante. Así, cerca de la interfaz entre semiconductores con diferentes tipos de conductividad, aparece una capa sin portadores de corriente (se llama capa de contacto). Esta capa es en realidad un dieléctrico; su resistencia es muy alta. En este caso, el semiconductor tipo n está cargado positivamente y el semiconductor tipo p está cargado negativamente. En la zona de contacto surge un campo eléctrico estacionario de intensidad k, que evita una mayor difusión de electrones y huecos.
La resistencia total de los semiconductores puestos en contacto es la suma de la resistencia del semiconductor tipo l, la unión p-n y el semiconductor tipo p: R = R n + R pn + R p. Dado que las resistencias de las áreas con tipos de conductividad n y p son pequeñas (hay muchos portadores de carga allí: electrones y huecos), la resistencia total está determinada principalmente por la resistencia de la unión p-n: R ≈ R pn.
Conectemos un semiconductor con una unión p-n a un circuito eléctrico de modo que el potencial del semiconductor tipo p sea positivo y el tipo n sea negativo (figura 16.11). En este caso, la intensidad del campo externo se dirigirá en dirección opuesta a la intensidad de la capa de contacto.
Módulo de tensión total E = E a - E ext. Dado que el campo que retiene a los portadores de corriente se debilita, los electrones ya tienen suficiente energía para superarlo.
Una corriente fluirá a través de la unión y será creada por los portadores mayoritarios: los electrones van de la región con conductividad de tipo n a la región con conductividad de tipo p, y los huecos provienen de la región con conductividad de tipo p a la región con tipo n. En este caso, la unión pn se llama directo.
Tenga en cuenta que la corriente eléctrica fluye por todo el circuito: desde el contacto positivo a través de la región tipo p hasta la unión p-n, luego a través de la región tipo n hasta el contacto negativo (figura 16.12). La conductividad de toda la muestra es alta y la resistencia es baja. Cuanto mayor sea el voltaje aplicado al contacto, mayor será la corriente.
La dependencia de la corriente de la diferencia de potencial (la característica corriente-voltaje de la unión directa) se representa en la Figura (16.13) mediante una línea continua.
Tenga en cuenta que un cambio en el voltaje aplicado conduce a un fuerte aumento de la corriente. Por lo tanto, un aumento de voltaje de 0,25 V puede provocar un aumento de la intensidad de la corriente 20.000 veces.
Con una unión directa, la resistencia de la capa de bloqueo es pequeña y también depende del voltaje aplicado, a medida que el voltaje aumenta, la resistencia disminuye.
Cambiemos ahora la polaridad de la conexión de la batería. En este caso, las intensidades de los campos externo y de contacto están dirigidas en la misma dirección (figura 16.14) y el módulo de la intensidad total E = E a - E ext. El campo externo aleja los electrones y los huecos de la capa de contacto, provocando que se expanda. En este sentido, los electrones ya no tienen suficiente energía para superar esta capa. Ahora la transición a través del contacto la realizan los transportistas minoritarios, cuyo número es pequeño.
La resistencia de la capa de contacto es muy alta. No fluye corriente a través de la unión p-n. Se forma la llamada capa barrera. Esta transición se llama contrarrestar.
La característica corriente-voltaje de la transición inversa se muestra en la Figura 16.13 con una línea discontinua.
La unión pn resulta asimétrica con respecto a la corriente: en la dirección de avance la resistencia de la unión es mucho menor que en la dirección inversa. Por tanto, se puede utilizar una unión pn para rectificar la corriente eléctrica.
Un dispositivo que contiene una unión p-n y es capaz de pasar corriente en una dirección y no en la dirección opuesta se llama diodo semiconductor.
Si se aplica un voltaje alterno a los contactos de un diodo semiconductor, entonces la corriente a través del circuito fluirá solo en una dirección.
Los diodos semiconductores están hechos de germanio, silicio, selenio y otras sustancias.
Consideremos cómo se crea una unión pn utilizando germanio, que tiene una conductividad de tipo n, con una pequeña adición de una impureza donante. Esta transición no se puede lograr conectando mecánicamente dos semiconductores con diferentes tipos de conductividad, ya que esto da como resultado una distancia demasiado grande entre los semiconductores. El espesor de la unión p-n no debe ser mayor que las distancias interatómicas, por lo que el indio se funde en una de las superficies de la muestra. Para crear un diodo semiconductor, se calienta a alta temperatura un semiconductor dopado con p que contiene átomos de indio. Los vapores de impurezas de tipo n (por ejemplo, arsénico) se depositan en la superficie del cristal. Debido a la difusión, se introducen en el cristal y en la superficie del cristal con conductividad de tipo p se forma una región con conductividad de tipo electrónico (figura 16.15).
Para evitar los efectos nocivos del aire y la luz, el cristal de germanio se coloca en una caja metálica sellada.
Los diodos semiconductores se utilizan en detectores receptores para aislar señales de baja frecuencia y proteger contra una conexión incorrecta de la fuente al circuito.
Los semáforos utilizan diodos semiconductores especiales. Cuando un diodo de este tipo se conecta directamente, se produce una recombinación activa de electrones y huecos. En este caso, la energía se libera en forma de radiación luminosa.
En la figura 16.16 se muestra una representación esquemática del diodo. Los rectificadores semiconductores son muy fiables y tienen una larga vida útil. Sin embargo, sólo pueden funcionar en un rango de temperatura limitado (de -70 a 125 °C).
Transistores.
Otra aplicación de los semiconductores con un tipo de conductividad impura son los transistores, dispositivos utilizados para amplificar señales eléctricas.
Consideremos uno de los tipos de transistores hechos de germanio o silicio con impurezas donadoras y aceptoras introducidas. La distribución de impurezas es tal que se crea una capa muy delgada (del orden de varios micrómetros de espesor) de semiconductor tipo n entre dos capas de semiconductor tipo p (figura 16.17). Esta fina capa se llama base o base.
En el cristal se forman dos uniones p-n, cuyas direcciones directas son opuestas. Tres terminales de áreas con diferentes tipos de conductividad le permiten incluir un transistor en el circuito que se muestra en la Figura 16.17. En este circuito, cuando la batería B1 está conectada, la unión p-n izquierda está directo. Un semiconductor zurdo con conductividad tipo p se llama emisor. Si no existiera la unión p-n derecha, habría una corriente en el circuito emisor-base, dependiendo del voltaje de las fuentes (batería B1 y la fuente de voltaje CA) y la resistencia del circuito, incluida la baja resistencia de la directa. unión emisor-base.
La batería B2 está conectada de manera que la unión n-p derecha en el circuito (ver Fig. 16.17) esté contrarrestar. La región derecha con conductividad tipo p se llama coleccionista. Si no hubiera unión pn izquierda, la corriente en el circuito colector sería cercana a cero, ya que la resistencia de la unión inversa es muy alta. Cuando existe una corriente en la unión p-n izquierda, aparece una corriente en el circuito del colector y la intensidad de la corriente en el colector es sólo ligeramente menor que la intensidad de la corriente en el emisor. (Si se aplica un voltaje negativo al emisor, entonces la unión p-n izquierda se invertirá y prácticamente no habrá corriente en el circuito del emisor ni en el circuito del colector).
Esto se explica a continuación. Cuando se crea voltaje entre el emisor y la base, los portadores mayoritarios del semiconductor tipo p (agujeros) penetran en la base, donde ya están medios no importantes. Dado que el grosor de la base es muy pequeño y el número de portadores principales (electrones) que contiene es pequeño, los agujeros que entran en ella casi no se combinan (no se recombinan) con los electrones de la base y penetran en el colector debido a a la difusión. La unión pn derecha está cerrada a los principales portadores de carga de la base: los electrones, pero no a los huecos. En el colector, los agujeros son arrastrados por el campo eléctrico y completan el circuito. La fuerza de la corriente que se ramifica hacia el circuito emisor desde la base es muy pequeña, ya que el área de la sección transversal de la base en el plano horizontal (ver Fig. 16.17) es mucho menor que la sección transversal en el plano vertical. .
La corriente del colector es casi igual a la corriente del emisor y varía con la corriente que pasa por el emisor. La resistencia del resistor R tiene poco efecto sobre la corriente en el colector y esta resistencia puede hacerse bastante grande. Al controlar la corriente del emisor utilizando una fuente de voltaje alterno conectada a su circuito, obtenemos un cambio sincrónico en el voltaje a través de la resistencia R.
Con una resistencia alta, el cambio de voltaje a través de ella puede ser decenas de miles de veces mayor que el cambio en el voltaje de la señal en el circuito emisor. Esto significa una mayor tensión. Por tanto, en la carga R es posible obtener señales eléctricas cuya potencia es muchas veces mayor que la potencia que ingresa al circuito emisor.
Aplicación de transistores.
La electrónica moderna se basa en microcircuitos y microprocesadores, que incluyen una cantidad colosal de transistores.
El primer circuito integrado salió a la venta en 1964. Contenía seis elementos: cuatro transistores y dos resistencias. Los microcircuitos modernos contienen millones de transistores.
Las computadoras, compuestas de chips y microprocesadores, en realidad han cambiado el mundo que nos rodea. Actualmente, no existe un solo área de la actividad humana en la que las computadoras no sirvan como asistentes humanos activos. Por ejemplo, en la investigación espacial o en la producción de alta tecnología funcionan microprocesadores cuyo nivel de organización corresponde a la inteligencia artificial.
Los transistores (Fig. 16.18, 16 19) se han vuelto extremadamente comunes en la tecnología moderna. Reemplazaron los tubos de vacío en los circuitos eléctricos de equipos científicos, industriales y domésticos. Las radios portátiles que utilizan este tipo de dispositivos se denominan comúnmente transistores. La ventaja de los transistores (así como de los diodos semiconductores) en comparación con los tubos electrónicos es, en primer lugar, la ausencia de un cátodo calentado, que consume una cantidad significativa de energía y tarda en calentarse. Además, estos dispositivos son decenas y cientos de veces más pequeños en tamaño y peso que los tubos de vacío.
Plan - esquema
lección de física
Tema de la lección: Corriente eléctrica a través de contacto semiconductor. rY nortetipo.
Diodo semiconductor.
Tema de la lección . Corriente eléctrica por contacto.
semiconductorespagYnortetipos.
Diodo semiconductor.
Propósito de la lección : explicar el mecanismo de paso de la corriente eléctrica a través del contacto de semiconductores p ynortetipos, considere transiciones directas e inversas, estudie la estructura y el principio de funcionamiento de un diodo semiconductor, repita el material previamente estudiado utilizando notas de referencia y TSO.
Objetivos de la lección:
Educativo: crear condiciones para dominar nuevo material educativo utilizando el aprendizaje basado en problemas;
Introducir los conceptos de unión directa e inversa, diodo semiconductor;
De desarrollo: desarrollar la actividad creativa y mental de los estudiantes en el aula mediante la resolución de problemas de naturaleza de investigación, las cualidades intelectuales de la personalidad del estudiante, como la independencia, la capacidad de realizar acciones evaluativas, generalizar y cambiar rápidamente; promover la formación de habilidades para el trabajo independiente; Desarrollar la capacidad de expresar clara y claramente sus pensamientos.
Educativo: inculcar una cultura de trabajo mental, inculcar en los estudiantes el interés por el tema mediante el uso de tecnologías de la información (usando una computadora); Desarrollar la capacidad de realizar notaciones matemáticas con precisión y competencia.
Equipo : notas básicas, un conjunto de semiconductores
diodos, computadoras con software
"Física Abierta".
Pasos de la lección
Tiempo,
mín.
Técnicas y métodos
1.Repetición de material previamente estudiado
2. Estudiando un nuevo material: la corriente eléctrica a través de un contacto semiconductor
r ynortetipo. Diodo semiconductor.
3. Formación de habilidades y destrezas.
4. Prueba primaria de adquisición de conocimientos. Reflexión.
5. Repetición de material.
5. Resumiendo.
6.Tarea.
Conversación. Encuesta sobre notas de apoyo.
La historia del maestro. Conversación. Notas de apoyo. Mostrar animación paso a paso.
Respuestas a las preguntas de los estudiantes.
Encuesta sobre notas de apoyo.
Programa de Física Abierta
Mensaje del maestro.
Escribiendo en la pizarra.
Plan de lección
Curso y contenido de la lección.
Palabra introductoria del profesor.
Comprobación de la asimilación del material estudiado.
Revisión del tema “Leyes de la Corriente Continua” - resumen básico.
Corriente eléctrica en semiconductores.
2.2.1 Estructura de los semiconductores.
2.2.2 Conductividad electrónica.
2.2.3 Conductividad del agujero.
2.2.4 Conductividad de impurezas.
2.2.5 Impurezas del donante.
2.2.6 Impurezas aceptoras.
La encuesta a los estudiantes se realiza utilizando notas de referencia.
2.2.7 Dictado físico.
1. ¿Cuál es la conductividad intrínseca de los semiconductores?
2. ¿Bajo qué condiciones los semiconductores puros se vuelven eléctricamente conductores?
3. ¿Cómo depende la conductividad de los semiconductores de la temperatura?
4. ¿Qué conductividad de los semiconductores se llama electrónica?
5. ¿Cómo aparecen los “agujeros” en un semiconductor puro?
6. ¿Cuál es la naturaleza de la corriente en un semiconductor?
7. ¿Cómo afecta la presencia de impurezas en ellos a la conductividad de los semiconductores?
8. ¿Bajo qué condiciones se produce la conductividad electrónica en un semiconductor de impurezas?
9. ¿Bajo qué condiciones se produce la conducción de huecos en un semiconductor de impurezas?
10. ¿Cómo se llaman los semiconductores en los que los principales portadores de carga son los electrones?
11. ¿Cómo se llaman los semiconductores en los que los principales portadores de carga son agujeros?
Aprendiendo nuevo material .
3.1 Corriente eléctrica a través de un contacto semiconductor.pag Y nortetipos (según el resumen de respaldo)
3.1.1 Propiedades eléctricas de las uniones p-n.
La unión "p-n" (o unión electrón-hueco) es el área de contacto de dos semiconductores donde la conductividad cambia de electrónica a hueco (o viceversa).
Estas regiones pueden crearse en un cristal semiconductor introduciendo impurezas. En la zona de contacto de dos semiconductores con diferentes conductividades se producirá una difusión mutua. electrones y huecos y se forma una capa eléctrica de bloqueo. El campo eléctrico de la capa de bloqueo impide el paso adicional de electrones y huecos a través del límite. La capa de bloqueo tiene una mayor resistencia en comparación con otras áreas del semiconductor.
El campo eléctrico externo afecta la resistencia de la capa barrera.
En la dirección directa (a través) del campo eléctrico externo, la corriente eléctrica atraviesa la frontera de dos semiconductores.
Porque Los electrones y los huecos se mueven uno hacia el otro hacia la interfaz. Los electrones, cruzando el límite, llenan los huecos. El espesor de la capa barrera y su resistencia disminuyen continuamente.
Con un bloqueo (dirección inversa del campo eléctrico externo), la corriente eléctrica no pasará a través del área de contacto de los dos semiconductores.
Porque los electrones y los huecos se mueven desde el límite en direcciones opuestas. La capa de bloqueo se espesa y su resistencia aumenta.
3.2 Diodo semiconductor (resumen de referencia).
Un semiconductor con una unión "p - n" se llama diodo semiconductor.
Al aplicar el. campos en una dirección, la resistencia del semiconductor es alta,
en la dirección opuesta: hay poca resistencia. 
Los diodos semiconductores son los elementos principales de los rectificadores de CA.
3.3 Ámbito de aplicación de los diodos semiconductores. .
La explicación del material va acompañada de una demostración de diodos semiconductores. Diapositiva de presentación.
....................
Fijación del material.
Notas de apoyo.
Computadoras - Programa de Física Abierta.
tarea : $73,74.
Resumiendo.
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¡Atención! Las vistas previas de diapositivas tienen únicamente fines informativos y es posible que no representen todas las características de la presentación. Si está interesado en este trabajo, descargue la versión completa.
Lección en décimo grado.
Sujeto: pag- Y norte- tipos. Diodo semiconductor. Transistores."
Objetivos:
- educativo: formarse una idea de los portadores de carga eléctrica libres en semiconductores en presencia de impurezas desde el punto de vista de la teoría electrónica y, con base en este conocimiento, conocer la esencia física de la unión p-n; enseñar a los estudiantes a explicar el funcionamiento de dispositivos semiconductores, basándose en el conocimiento de la esencia física de la unión pn;
- desarrollo: desarrollar el pensamiento físico de los estudiantes, la capacidad de formular conclusiones de forma independiente, ampliar el interés cognitivo y la actividad cognitiva;
- educativo: continuar la formación de la cosmovisión científica de los escolares.
Equipo: presentación sobre el tema:“Semiconductores. Corriente eléctrica a través de contacto semiconductor. pag- Y norte- tipos. Diodo semiconductor. Transistor", proyector multimedia.
Progreso de la lección
I. Momento organizativo.
II. Aprender material nuevo.
Diapositiva 1.
Diapositiva 2. Semiconductor – Sustancia en la que la resistividad puede variar en un amplio rango y disminuye muy rápidamente al aumentar la temperatura, lo que significa que la conductividad eléctrica (1/R) aumenta.
Se observa en silicio, germanio, selenio y en algunos compuestos.
Diapositiva 3.
Mecanismo de conducción en semiconductores.
Diapositiva 4.
Los cristales semiconductores tienen una red cristalina atómica, donde el exterior Diapositiva 5. Los electrones están unidos a átomos vecinos mediante enlaces covalentes.
A bajas temperaturas, los semiconductores puros no tienen electrones libres y se comportan como aislantes.
Los semiconductores son puros (sin impurezas)
Si el semiconductor es puro (sin impurezas), entonces tiene su propia conductividad, que es baja.
Hay dos tipos de conductividad intrínseca:
Diapositiva 6. 1) electrónico (conductividad tipo "n")
A bajas temperaturas en los semiconductores, todos los electrones están unidos a los núcleos y la resistencia es alta; A medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas, se rompen los enlaces y aparecen electrones libres: la resistencia disminuye.
Los electrones libres se mueven en dirección opuesta al vector de intensidad del campo eléctrico.
La conductividad electrónica de los semiconductores se debe a la presencia de electrones libres.
Diapositiva 7.
2) agujero (conductividad tipo "p")
A medida que aumenta la temperatura, los enlaces covalentes entre los átomos, realizados por los electrones de valencia, se destruyen y se forman los lugares donde falta un electrón, un "agujero".
Puede moverse por todo el cristal, porque su lugar puede ser reemplazado por electrones de valencia. Mover un "agujero" equivale a mover una carga positiva.
El agujero se mueve en la dirección del vector de intensidad del campo eléctrico.
Además del calentamiento, la rotura de enlaces covalentes y la aparición de conductividad intrínseca en los semiconductores pueden deberse a la iluminación (fotoconductividad) y a la acción de fuertes campos eléctricos. Por lo tanto, los semiconductores también tienen conductividad por huecos.
La conductividad total de un semiconductor puro es la suma de las conductividades de los tipos "p" y "n" y se denomina conductividad de huecos de electrones.
Semiconductores con impurezas.
Estos semiconductores tienen su propia conductividad de impurezas.
La presencia de impurezas aumenta enormemente la conductividad.
Cuando cambia la concentración de impurezas, cambia el número de portadores de corriente eléctrica (electrones y huecos).
La capacidad de controlar la corriente es la base del uso generalizado de semiconductores.
Hay:
Diapositiva 8. 1) impurezas del donante (donación)– son proveedores adicionales de electrones para los cristales semiconductores, ceden electrones fácilmente y aumentan el número de electrones libres en el semiconductor.
Diapositiva 9. Estos son los conductores "n" – tipo, es decir. Semiconductores con impurezas donantes, donde el portador de carga mayoritario son los electrones y el portador de carga minoritario son los huecos.
Un semiconductor de este tipo tiene Conductividad de impurezas electrónicas. Por ejemplo, el arsénico.
Diapositiva 10. 2) Aceptador de impurezas (receptor)– crear “agujeros”, acogiendo electrones en sí mismos.
Estos son semiconductores "p" - tipo, es decir. Semiconductores con impurezas aceptoras, donde el portador de carga principal son los huecos y el portador de carga minoritario son los electrones.
Un semiconductor de este tipo tiene conductividad de impurezas del agujero. Diapositiva 11. Por ejemplo, indio. Diapositiva 12.
Consideremos qué procesos físicos ocurren cuando dos semiconductores con diferentes tipos de conductividad entran en contacto o, como dicen, en una unión pn.
Diapositiva 13-16.
Propiedades eléctricas de la unión p-n.
La unión "p-n" (o unión electrón-hueco) es el área de contacto de dos semiconductores donde la conductividad cambia de electrónica a hueco (o viceversa).
Estas regiones pueden crearse en un cristal semiconductor introduciendo impurezas. En la zona de contacto de dos semiconductores con diferentes conductividades se producirá una difusión mutua. electrones y huecos y se forma una capa eléctrica de bloqueo. El campo eléctrico de la capa de bloqueo impide el paso de electrones y huecos a través del límite. La capa de bloqueo tiene una mayor resistencia en comparación con otras áreas del semiconductor.
El campo eléctrico externo afecta la resistencia de la capa barrera.
En la dirección directa (directa) del campo eléctrico externo, la corriente eléctrica atraviesa la frontera de dos semiconductores.
Porque Los electrones y los huecos se mueven entre sí hacia la interfaz, luego los electrones, al cruzar el límite, llenan los huecos. El espesor de la capa barrera y su resistencia disminuyen continuamente.
Modo de rendimiento de la unión pn:
Cuando el campo eléctrico externo está en una dirección de bloqueo (inversa), no pasará ninguna corriente eléctrica a través del área de contacto de dos semiconductores.
Porque A medida que los electrones y los huecos se alejan del límite en direcciones opuestas, la capa de bloqueo se espesa y su resistencia aumenta.
Modo de bloqueo unión p-n:
Por tanto, la transición electrón-hueco tiene conductividad unidireccional.
diodos semiconductores
Un semiconductor con una unión p-n se llama diodo semiconductor.
- Chicos, escriban un tema nuevo: "Diodo semiconductor".
"¿Qué clase de idiota hay?", Preguntó Vasechkin con una sonrisa.
- ¡No un idiota, sino un diodo! – el maestro respondió: “Un diodo, es decir, tiene dos electrodos, un ánodo y un cátodo”. ¿Lo entiendes?
“Y Dostoievski tiene una obra así: “El idiota”, insistió Vasechkin.
- Sí, lo hay, ¿y qué? ¡Estás en una lección de física, no de literatura! ¡Por favor, no confundas más un diodo con un idiota!
Diapositiva 17–21.
Cuando se aplica un campo eléctrico en una dirección, la resistencia del semiconductor es alta, en la dirección opuesta la resistencia es pequeña.
Los diodos semiconductores son los elementos principales de los rectificadores de CA.
Diapositiva 22–25.
Transistores Se denominan dispositivos semiconductores diseñados para amplificar, generar y convertir oscilaciones eléctricas.
Transistores semiconductores (también se utilizan las propiedades de las uniones "p-n"), los transistores se utilizan en los circuitos de dispositivos radioelectrónicos.
La gran "familia" de dispositivos semiconductores llamados transistores incluye dos tipos: bipolares y de efecto de campo. El primero de ellos, para distinguirlos de alguna manera del segundo, a menudo se denomina transistores ordinarios. Los transistores bipolares son los más utilizados. Probablemente comenzaremos con ellos. El término “transistor” se forma a partir de dos palabras en inglés: transfer – convertidor y resistor – resistencia. En una forma simplificada, un transistor bipolar es una oblea semiconductora con tres (como en una torta de capas) regiones alternas de diferente conductividad eléctrica (Fig. 1), que forman dos uniones p-n. Las dos zonas extremas tienen una conductividad eléctrica de un tipo, la del medio tiene una conductividad eléctrica de otro tipo. Cada zona tiene su propio pin de contacto. Si en las regiones exteriores predomina la conductividad eléctrica hueca y en el medio la conductividad electrónica (Fig. 1, a), entonces dicho dispositivo se denomina transistor de estructura p – n – p. Un transistor con estructura n – p – n, por el contrario, tiene regiones con conductividad eléctrica electrónica a lo largo de los bordes, y entre ellas hay una región con conductividad eléctrica hueca (Fig. 1, b).
Cuando se aplica un voltaje positivo a la base de un transistor tipo n-p-n, se abre, es decir, la resistencia entre el emisor y el colector disminuye, y cuando se aplica un voltaje negativo, por el contrario, se cierra y cuanto más fuerte es la corriente, más se abre o se cierra. Para los transistores de estructura p-n-p, ocurre lo contrario.
La base de un transistor bipolar (Fig. 1) es una pequeña placa de germanio o silicio con conductividad eléctrica electrónica o hueca, es decir, tipo n o tipo p. Se funden bolas de elementos de impurezas sobre la superficie de ambos lados de la placa. Cuando se calienta a una temperatura estrictamente definida, se produce la difusión (penetración) de elementos de impureza en el espesor de la oblea semiconductora. Como resultado, aparecen dos regiones en el espesor de la placa, opuestas a ésta en cuanto a conductividad eléctrica. Una placa de germanio o silicio de tipo p y las regiones de tipo n creadas en ella forman un transistor de estructura n-p-n (Fig. 1, a), y una placa de tipo n y las regiones de tipo p creadas en ella forman un transistor de la estructura p-n-p (Fig. 1, b).
Independientemente de la estructura del transistor, su placa del semiconductor original se llama base (B), la región de menor volumen opuesta a ella en términos de conductividad eléctrica es el emisor (E), y otra región similar de mayor volumen es el coleccionista (K). Estos tres electrodos forman dos uniones p-n: entre la base y el colector - el colector, y entre la base y el emisor - el emisor. Cada uno de ellos es similar en sus propiedades eléctricas a las uniones p-n de los diodos semiconductores y se abre con los mismos voltajes directos a través de ellos.
Los símbolos gráficos convencionales de transistores de diferentes estructuras difieren solo en que la flecha que simboliza el emisor y la dirección de la corriente a través de la unión del emisor, para un transistor p-n-p, mira hacia la base, y para un transistor n-p-n, mira hacia afuera de la base.
Diapositiva 26–29.
III. Consolidación primaria.
- ¿Qué sustancias se llaman semiconductores?
- ¿Qué tipo de conductividad se llama electrónica?
- ¿Qué otra conductividad se observa en los semiconductores?
- ¿Qué impurezas conoces ahora?
- ¿Cuál es el modo de rendimiento de una unión pn?
- ¿Cuál es el modo de bloqueo de una unión pn?
- ¿Qué dispositivos semiconductores conoces?
- ¿Dónde y para qué se utilizan los dispositivos semiconductores?
IV. Consolidación de lo aprendido
- ¿Cómo cambia la resistividad de los semiconductores cuando se calientan? ¿Bajo iluminación?
- ¿Será superconductor el silicio si se enfría a una temperatura cercana al cero absoluto? (no, la resistencia del silicio aumenta al disminuir la temperatura).
