Удосконалення методики викладання теми "Електричний струм у напівпровідниках" в загальноосвітній школі, страница 10

Вчителю на уроці бажано продемонструвати залежність опору напівпровідників від температури на термоопорі і зміни фото опору від освітленості.

Потрібно ознайомити учнів з графіком (рис.2.3.6.) залежності питомого опору напівпровідника від температури (крива 1) і для порівняння проводять аналогічну залежність для металів (крива 2).

З учнями можна буде обговорити про те, що питомий опір р зменшується зі збільшенням температури і в електролітах, але залежність р (і) не настільки різка, як у напівпровідників.

Така реакція напівпровідників на зовнішні взаємодії дає можливість застосовувати їх в схемах автоматики. Краще всього показати учням теплове реле на напівпровідникові, а також електронне фотореле з фото резистором.

Автори посібника вважають, що бажано в кінці уроку продемонструвати перший фрагмент кінострічки «Напівпровідники та їх застосування в техніці». Власна і домішкова провідність напівпровідників. Хоч лектропровідність напівпровідників й отримала повне пояснення а квантовій механіці, на основі зонних уявлень, але для спрощення в школі приходиться    обмежуватися    поясненням    електропровідності    на    основі модельних уявлень про ковалентні зв'язки в кристалах, наприклад в кристалах

кремнію або германію. На рисунку 2.3.2. наведена схема ковалентних зв'язків в кристалі германію. Кожен атом має 4 валентних електрона і тому з східними атомами має по 2 зв'язки.

Пояснення цих питань детально описане вище, тому на цьому зупинятися не будемо. А перелічимо лише питання, які слід обговорити з учнями на цій моделі:

1)  якщо температура наближена до абсолютного нуля, то напівпровідник є
ідеальним діелектриком, так я к всі зв'язки між атомами непорушені;

2)  при збільшенні температури або при зовнішніх впливах частина зв'язків
порушується і в напівпровідникові з'являються «вільні» електрони, які здатні
переміщатися під дією сил електричного поля;

3)  вакантні місця, які залишилися після відриву електронів (дірки), також
рухаються в електричному полі;

4)  якщо напівпровідник потрапляє в електричне поле, то впорядковано
рухаються   як   електрони   провідності,   так   і   «дірки».   Загальний   струм  у
напівпровідникові    дорівнює    сумі    цих    струмів,    при    чому    в    чистих
напівпровідниках Іе=Ід.      Бажано показати відповідний фрагмент кінострічки.

Домішкову провідність слід пояснювати так: замінюємо один з атомів чотирьохвалентного кремнію атомом п'ятивалентного миш'яку або атомом трьохвалентного індію. В першому випадку буде зайвий електрон. Такі домішки створюють провідність електронного типу, яку називають n-провідністю, а напівпровідник з такою домішкою - напівпровідник п-типу. В другому випадку утворюються вільні місця - дірки. Такий напівпровідник називають напівпровідником р-типу.

Можна повідомити учням, що при кімнатній температурі в ідеально чистих від домішок напівпровідниках мають перервані зв'язки близько 10*⁷% атомів. Якщо в даний напівпровідник ввести таку ж мізерну домішку, то його провідність збільшиться вдвічі. Цікаво, як же збільшиться провідність при внесенні домішки в кількості 0.001% від загального числа атомів? Прості

підрахунки показують, що провідність зростає в 10⁵ разів. В цьому випадку власною провідністю можна просто знехтувати і вважати, що вся провідність тільки домішкова. n-р-перехід.

Пояснення n-р-переходу слід розпочати з дослідів, які з'ясовують його властивості[1]. А властивості такі: опір контактного шару двох домішкових напівпровідників п- і р-типу різні в різних напрямках. Далі пояснювати ці властивості бажано за допомогою таких схем.

Спочатку слід пояснити, що при контакті n- і р-напівпровідників відбувається дифузія основних носіїв з одного напівпровідника в другий (рис.2.3.7.)- В результаті приконтактна частина збіднюється основними носіями і її опір зростає. Тоді процес дифузії припиняється, так як виникає подвійний шар, який перешкоджає рух зарядів.

Ввімкнемо тепер цей напівпровідник з n-р-переходом в електричне поле (рис.2.3.8.)- В першому випадку (рис.2.3.8,а) електричне поле переміщує основні носії до контакту і його опір буде зменшуватись, а струм в колі збільшуватись. В другому випадку (рис.2.3.8,6) під дією електричного поля основні носії від контакту будуть розходитись в різні сторони, область контакту ще більше буде збіднена основними носіями, опір її збільшиться, а сила струму в колі стане малою.

Оскільки процеси в n-р-переході добре показані у відповідному фрагменту кінострічки «Напівпровідники та їх застосування в техніці», то бажано його в кінці уроку показати для закріплення поданого матеріалу.

Автори посібника [18] пропонують для пояснення суті властивостей n-р-переходу таку схему з допомогою серії рисунків:

1. Вибираємо напівпровідниковий кристал, в якому область з дірковою провідністю р розміщена зліва, з електронною провідністю - справа (рис.2.3.9,а). В цих областях носії струму позначимо так: електрони - темні кружечки, дірки - світлі. Обидві області електро нейтральні.

2. Завдяки тепловому хаотичному рухові електрони з області n дрейфують в область р (рис.2.3.9,а), залишаючи в області п не скомпенсовані позитивні іони (рис.2.3.9,6).

3.  В свою чергу з області р дірки дрейфують в область п (рис.2.3.9,в),
залишаючи в області р не скомпенсовані негативні іони (рис.2.3.9,г).

4.  Таким чином, на границі в n-області є продрейфуровані в неї дірки і не скомпенсовані позитивні іони, а на границі в р-області - продрейфуровані в неї електрони і не скомпенсовані негативні іони. Приконтактний шар р-області являється зарядженим негативно (рис.2.3.9,д), п-області - позитивно. На межі між   цими   областями   утворюється   тонкий   подвійний   шар   різноіменно заряджених іонів. Напруженість контактного електричного поля    цього шару спрямована з n- області в р-область.