1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Электронные пучки и их свойства. 2. Электронно-лучевая трубка.

Задача:

1. Определить ускорение, время движения и конечную скорость электронов у анода вакуумного диода, если их скорость у катода равна нулю, напряжение между катодом и анодом 300 В, а расстояние между ними 1 см. Электрическое поле считать однородным.

III. Место полупроводников в периодической таблице. Сравнение удель­ных сопротивлений металлов, полупроводников и изоляторов (Справочник по физике и технике, Табл. 167 и Табл. 172). На сколько порядков отличаются удельные сопротивления германия и парафина?, кремния и резины?.

Существуют ли еще способы отличить твердый полупроводник от металла?

"Недавно я наткнулся на необычный случай, ... который находится в прямом противоречии с влиянием тепла на обычные металлы ..."

Фарадей

Демонстрация зависимости сопротивления полупроводника от температуры и освещенности.

Поэтому полупроводники и называют полупроводниками, что при достаточ­но высоких температурах они являются проводниками, а при низких - диэлектриками. Другие свойства полупроводников: величина удельного сопротивления от 10^-8 до 10 Ом·м, чувствительность к свету, большое значение термо-ЭДС относительно металлов, эффектом выпрямления тока на контактах. Внутреннее строение полупроводника на примере кремния. Атом кремния.

Парноэлектронная (ковалентная) связь (моделирование на магнитной доске).

Энергетическая щель диэлектрика (∆Е) - минимальная энергия, необхо­димая для того, чтобы оторвать электрон от атома диэлектрика и превратить его в свободный. Примеры: у алмаза ∆Е = 7 эВ, у герма­ния ∆Е = 0,72 эВ, у графита валентная зона и зона проводимости перекрываются. Значение энергетической щели зависит от структуры решетки и свойств атомов; лежит в пределах от нуля /металлы/ до десятков электрон-вольт (диэлектрики). Энергия квантов света 1,6 – 3 эВ. Электроны и дырки. Рекомбинация дырок и излучение света. Характер теплового движения электронов и дырок, зависимость их концентрации от температуры и освещенности.

Э лектрическое поле в полупроводнике (рисунок на доске). Дрейф элек­тронов и дырок. Ток электронов и ток дырок (аналогия с перемещением пустых мест в кинотеатре, если зрители с первого ряда переходят на сцену, а их места занимают зрители следующего ряда). Собственная проводимость полупроводников. Вольтамперная характеристика чистого полупроводника.

Полупроводники, как принцессы на горошине, очень чувствительны к примесям. Примесная проводимость. Способы легирования полу­проводника примесью.

Если в кусок кремния (рисунок на доске), содержащий 20 электронов и 20 дырок, добавить 1000000 атомов мышьяка (донорная примесь), то в полупроводнике с такой примесью (n – типа) будет 1000020 электронов и 20 дырок (на самом деле дырок будет гораздо меньше из-за рекомби­нации с электронами). Демонстрации с полупроводником n-типа (от лат. negativus- отрицательный).

Если в кусок кремния, содержащий 20 электронов и 20 дырок, добавить 1000000 атомов индия (акцепторная примесь), то в полупроводнике с такой примесью (р - типа) будет 20 электронов и 1000020 дырок /элек­тронов будет гораздо меньше из-за рекомбинации с дырками/.

IV. Демонстрация кинофильма.

V. §§ 71,72

Дополнительная информация: Схема работы ксерокса такова: слою полу­проводника сообщается электрический заряд, и тут же на него проецируют изображение. Проводимость освещенных участков возрастает, и заряд с них стекает на металлическую подложку. Порошку сообщается заряд про­тивоположного знака, и он прилипает к тем участкам полупроводникового слоя, где сохранился электрический заряд. Остается перенести изобра­жение на бумагу и закрепить его, что достигается нагреванием.

Фотоэлектромагнитный эффект. При падении света на пластинку из закиси меди в цепи возникает электрический ток. На освещаемой поверхности под действием света образуются электроны и дырки, их концентрация увеличивается и они диффундируют в глубь полупроводника. Перемещаясь в магнитном поле, они отклоняются соответственно вниз и вверх, при этом возникает фотоэлектрическая ЭДС порядка 20 – 30 В.

ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Уровни энергии атома водорода:

n = 1 - этому уровню отвечает одна круговая

орбита (1S – состояние).

n = 2 - этому уровню отвечает одна круговая орби­та /2S -состояние/ и три вытянутых /2Р - состояние/.

n = 3 - этому уровню отвечает одна круговая /3S -состояние/, три вытянутых (ЗР- состояние) и пять сильно вытянутых орбит /3d-сос­тояние/.

На каждой орбите могут быть размещены два электрона с противоположно ориентированными спинами. Поэтому на уровне с n = 1 может быть размещено 2 электрона, на уровне с n = 2 - 8 электронов, на n -ом уровне N = 2 n² электронов.

Размещение электронов в атоме лития и образование зон на примере объединения n = 5 атомов. Валентная зона заполнена напо­ловину, поэтому электроны могут иметь и большую кинетическую энергию, и могут переме­щаться в электрическом поле.

Размещение электронов в атоме углерода и образование зон в алмазе.

А как распределены электроны в атоме кремния? А зоны?

Только при температуре Т ~ 10⁴ К средняя кинетическая энергия атома кремния становится равной энергетической щели. При обычных темпера­турах только небольшая часть электронов имеет энергию, необходимую для преодоления энергетического барьера. С повышением температуры проводимость будет возрастать. Зависимость концентрации электронов и дырок в диэлектрике от температуры: n = А ехр – ( Е/2КТ). Например, для кремния А = 2·10¹⁹ см^-3, Е = 1,1 эВ.

а) При Т = 77 К, n = 1,7·10¹⁷см^-3 (в кубе кремния с ребром 4 км содержится одна электронно-дырочная пара), б) При Т = 300 К, n = 1,1·10¹⁰ см^-3.

Энергия ионизации (активации) для мышьяка, введенного в кремний Е = 0,05 эВ, как и для индия, введенного в кремний. Мелкие и глубокие примеси. Кванты видимого света имеют энергию порядка 1,5 - 3 эВ.

"... научный прогресс похож на гигантскую лестницу, каждая ступень которой соответствует одному из великих открытий, внезапно поднимающих человечество на более высокий уровень"

Дж. Сартон

Урок 53/35. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с особенностями электрического тока через контакт двух полупроводников с разными типами проводимости и практическими применениями этого явления.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: полупроводниковый диод, амперметр демонстрационный,

выпрямитель, осциллограф, соединительные провода.

ПЛАН УРОКА: