Електричний струм у     напівпровідниках.

Мета.

Навчальна. Ввести поняття напівпровідника та напівпровідникового діода. Пояснити механізм провідності в напівпровідниках.

Розвиваюча. Розвивати фізичну компетентність учнів та їх обізнаність.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та мовлення.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 11 кл. Рівень стандарту:/ Бар'яхтар В.Г., Довгий С.О.
• Демонстрація. Одностороння провідність напівпровідникового діода (гальванометр-амперметр, реостат, джерело струму лабораторне, напівпровідниковий діод на панелі).
• Відео. Вплив температури на опір напівпровідників (Час показу 2.12 хв)
• Відео. Напівпровідники різних типів

План

1. Актуалізація опорних знань.
2. Електричний струм у напівпровідниках.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевір себе.
6. Для допитливих.

Хід уроку

1. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Електричний струм у напівпровідниках.

Напівпровідники. Механізм провідності напівпровідників. Більшість природних простих речовин, сполук і синтезованих матеріалів за їхніми електричними властивостями не можна віднести ані до провідників, ані до діелектриків.

Клас речовин, які за своїм питомим опором займають проміжне місце між провідниками і діелектриками, називають напівпровідниками.

До напівпровідників належать майже всі неорганічні речовини (12 хімічних елементів: бор (), вуглець (), силіцій (), германій (), олово (), фосфор (), арсен (), сурьма (), сірка (), селен (), телур (), йод (); сполуки елементів ІІІ і V груп типу (, …) та ІІ і VI груп типу  (, …)) та деякі органічні речовини.

Розглянемо механізм провідності напівпровідників на прикладі германію (Ge). Атоми германію мають чотири слабо зв'язаних електрони на зовнішній орбіті. Їх називають валентними електронами. У кристалічній решітці кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Зв'язок між атомами в кристалі германію є ковалентним, тобто здійснюється парами валентних електронів. Кожен валентний електрон належить двом атомам. Валентні електрони в кристалі германію набагато міцніше пов'язані з атомами,  ніж у металах; тому концентрація електронів провідності при кімнатній температурі в напівпровідниках на багато порядків менше, ніж у металів. Поблизу абсолютного нуля температури в кристалі германію всі електрони зайняті в утворенні зв'язків. Такий кристал електричного струму не проводить.

При підвищенні температури деяка частина валентних електронів може отримати енергію, достатню для розриву ковалентних зв'язків. Тоді в кристалі виникнуть вільні електрони (електрони провідності). Одночасно в місцях розриву зв'язків утворюються вакансії, які не зайняті електронами. Ці вакансії отримали назву «дірок». Вакантне місце може бути зайняте валентним електроном з сусідньої пари, тоді дірка переміститися на нове місце в кристалі. При заданій температурі напівпровідника в одиницю часу утворюється певна кількість електронно-діркових пар. В той же час йде зворотний процес – при зустрічі вільного електрона з діркою, відновлюється електронний зв'язок між атомами германію. Цей процес називається рекомбінацією. Електронно-діркові пари можуть народжуватися також при освітленні напівпровідника за рахунок енергії електромагнітного випромінювання. При відсутності електричного поля електрони провідності і дірки беруть участь в хаотичному тепловому русі.

Якщо  в напівпровіднику  створити електричне поле, то до впорядкованого руху залучаються не лише вільні електрони, але і дірки, які поводять себе як позитивно заряджені частинки.

Концентрація електронів провідності в напівпровіднику дорівнює концентрації дірок: nn = np. Електронно-дірковий механізм провідності виявляється лише в чистих (тобто без домішок) напівпровідників. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідника.

За наявності домішок електропровідність напівпровідників сильно змінюється. Наприклад, домішка фосфору в кристал кремнію в кількості 0,001% зменшує питомий опір більш ніж на п'ять порядків. Такий сильний вплив домішок може бути пояснений на основі викладених вище уявлень про будову напівпровідників.

Необхідною умовою різкого зменшення питомого опору напівпровідника при введенні домішок є відмінність валентності атомів домішки від валентності основних атомів кристала.

Провідність напівпровідників за наявності домішок називається домішковою провідністю. Розрізняють два типи домішкової провідності – електронну і діркову   провідність.  

Напівпровідники n-типу мають домішкову електронну  провідність. За рахунок вкраплення в Германій або Силіцій атомів п’ятивалентної речовини отримуємо напівпровідники з домішковою електронною провідністю - напівпровідники n-типу.

Домішки, атоми яких відносно легко віддають електрони, називають донорними домішками.

Напівпровідники р-типу мають домішкову діркову  провідність. Діркова домішкова провідність виникає, якщо в напівпровідниковому кристалі замінити деякі атоми іншими, що мають три валентних електрони, наприклад атомами Індію. У цьому разі на утворення ковалентного зв’язку із сусідніми атомами  у домішкового атома не вистачає одного електрона - утворюється напівпровідник р-типу.

Домішки, атоми яких “запозичують” електрони, називають акцепторними домішками.

Властивості напівпровідників:

• носіями електричного струму є електрони та дірки.
• електропровідність напівпровідників залежить від стану речовини: температури, освітлення, наявності домішок…
• з підвищенням температури питомий опір напівпровідників зменшується.

Залежність опору напівпровідників від освітлення і нагрівання пов’язана з внутрішньою будовою матеріалу.

Мал. Графік залежності питомого опору від температури для напівпровідників.

Відео. Вплив температури на опір напівпровідників (Час показу 2.12 хв)

Електронно-дірковий (p-n) перехід. Напівпровідникові діоди. p-n перехід (електронно-дірковий перехід) — область контакту напівпровідників p- та n-типу всередині монокристала напівпровідника, в якій відбувається перехід від одного типу провідності до іншого. Ця область характеризується одностороннім пропусканням електричного струму.

p-n перехід не вдається одержати за допомогою механічного з'єднання двох напівпровідників з різними провідностями, оскільки при цьому буває надто великий зазор між напівпровідниками. Товщина ж р-n переходу має бути не більшою від міжатомних відстаней.

Розглянемо принцип дії напівпровідникового діода, який ґрунтується на явищі p-n переходу. Напівпровідникові діоди виготовляють з германію, кремнію, селену та інших речовин. В одну з поверхонь зразка з германію вплавляють індій. Внаслідок дифузії атомів Індію в монокристал германію біля поверхні германію утворюється ділянка з провідністю р-типу. Решта зразка германію, куди атоми Індію не проникли, як і раніше, має провідність n-типу. Між двома ділянками з провідністю різних типів і виникає р-п перехід. У напівпровідниковому діоді германій є катодом, а індій — анодом. Щоб запобігти шкідливим впливам повітря і світла, кристал германію вміщують у герметичний металевий корпус.

Мал. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.

Основна властивість діода - його одностороння електрична провідність.

Демонстрація. Одностороння провідність напівпровідникового діода (гальванометр-амперметр, реостат, джерело струму лабораторне, напівпровідниковий діод на панелі).

Напівпровідникові випрямлячі мають високу надійність і працюють тривалий час. Проте вони можуть працювати лише в обмеженому інтервалі температур (приблизно від - 7°С до 125 °С) .

Відео. Напівпровідники різних типів

Застосування напівпровідникових приладів. Дослідження провідності напівпровідників різних типів дало змогу розробити  технології виготовлення напівпровідникових приладів: діодів (а), світлодіодів (б), фоторезисторів (в), транзисторів (г)...

а)б)

в)г)

У напівпровідниках електричний опір значною мірою залежить від температури. Цю властивість використовують для вимірювання температури за силою струму в колі з напівпровідником. Такі прилади називають термісторами або терморезисторами.

а)     б)      

Мал. Термістор (а) та терморезистори (б)

Фоторези́стор — фотоелектричний напівпровідниковий приймач випромінювання, принцип дії якого ґрунтується на ефекті фотопровідності — явищі зменшення опору напівпровідника у разі збудження носіїв заряду світлом.

В порівнянні зі звичайними неорганічними напівпровідниками органічні напівпровідники дешеві, добре утворюють плівки, можуть бути гнучкими. Цими факторами зумовлений інтерес до них електронної промисловості, незважаючи на значно гіршу провідність. Органічні напівпровідники використовуються в фотокопіювальних машинах, принтерах, огранічних світлодіодах, детекторах ядерного випромінювання. Ведуться дослідження з метою використання органіки в сонячних елементах.

Мал. Для передачі якісної кольорової картинки, білі органічні світлодіоди містять у собі фільтри основних кольорів.

Провідність органічних напівпровідників лежить в дуже широких межах. Питомий опір від 10 до 1014 Ом·м. Органічні напівпровідники можуть бути як n-типу, так і p-типу. Домішки в них не відіграють настільки суттєвої ролі, як у неорганічних напівпровідниках. Рухливість носіїв заряду на кілька порядків нижча ніж у кремнію чи германію.

При розв’язуванні задач слід враховувати, що напівпровідникові діоди мають набагато менший опір, ніж лампи розжарювання. Тому, при паралельному з’єднанні напівпровідникового діода і лампи розжарювання, лампа горіти не буде.

Найширше застосування в науці і техніці мають напівпровідники: Германій та Силіцій. Інженери не можуть обходитися без напівпровідникових випрямлячів, перемикачів і підсилювачів.

3. Запитання до уроку.

Запитання 15.1. Поясніть механізм власної провідності напівпровідників.

Запитання 15.2. Як зміниться опір чистого напівпровідника, якщо додати домішку?

Запитання 15.3. Яку домішку називають донорною?

Запитання 15.4. Яку домішку потрібно ввести, щоб отримати напівпровідник р-типу?

Запитання 15.5. Що таке напівпровідниковий діод? Як напівпровідниковий діод позначають у схемах?

Запитання 15.6. Чому напівпровідники за низької температури мають властивості діелектрика?

Запитання 15.7. Назвіть причини появи електронів провідності та дірок у напівпровідниках.

Запитання 15.8. У кремнієвій решітці необхідно замінити деякі атоми кремнію атомами іншого елемента так, щоб отримати напівпровідник n-типу. Якою повинна бути валентність домішки?

Запитання 15.9. Яку провідність має германій з домішками індію (In)?

Запитання 15.10. Що буде основним носієм вільних зарядів в кремнієвому кристалі після внесення туди сурми (Sb) як домішки?

Запитання 15.11. Яку провідність матиме кристал германію, якщо в нього внести як домішку невелику кількість миш’яку (As)?

4. Домашнє завдання.

Підручник: §9.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

Тести. Електричний струм у напівпровідниках. Відповіді учнів

5. Перевір себе.

6. Для допитливих.

Історія дослідження напівпровідників. Першим кроком у дослідженні напівпровідників було відкриття у 1822 р. німецьким фізиком Т. Зеебеком явища виникнення ЕРС у колі з різних напівпровідників, місця з'єднання яких підтримувалися при різних температурах. Суть дослідів полягала у наступному: Зеебек, відтворюючи досліди Ерстеда, припаював два різних метали, з'єднував їх мідним провідником і розміщав усередині петлі, утвореної провідником, магнітну стрілку. Схема установки Зеебека наведена на мал. 45. Нагріваючи місце спаю за допомогою свічки, Зеебек помітив, що магнітна стрілка відхиляється! А через 12 років Ж. Пельт'є повідомив про температурні аномалії на контакті двох різнорідних провідників при проходженні через цей контакт електричного струму.

У 1821 р. учитель М. Фарадея Г. Деві встановив, що провідність «деяких металів» зменшується зі зростанням температури. Пізніше у 1833 р. вже сам Фарадей помітив, що при нагріванні сірчистого срібла його опір зменшується, тоді як відомо, що опір металів при нагріванні зростає (цю властивість використовують у термісторах — датчиках температури в електричних термометрах).

Фоточутливість напівпровідників вперше помітили в 1873 р. англійські електротехніки В. Сміті Дж. Мей, які при виготовленні високоомних опорів із селену спостерігали зменшення його опору при освітленні (цю властивість використовують у фоторезисторах — складових приладів для вимірювання світлових величин). Це явище відразу ж знайшло практичне використання: скориставшись високою фоточутливістю селену, американський винахідник А. Белл сконструював «фотофон» — прилад для передавання людської мови на відстань прямого зору, а вже на початку XX ст. за допомогою селенових фотоопорі було здійснено передачу зображень по проводах. У1888 р. Російський фізик В. Ульянін у Казані опублікував повідомлення про відкриття ним явища виникнення фотоелектрорушійної сили при освітленні селену крізь напівпрозорий електрод. Знову про це явище повідомив у 1924 р. Г. Гейгер, а в 1932 р. А. Ланге побудував із закису міді перший фотоелемент із запірним шаром.

У 1922 р. інший російський фізик Нижегородської радіолабораторії О. Лосєв сконструював кристалічний детекторний приймач (кристадин), дію якого не могла пояснити жодна фізична лабораторія світу, Дослідження уніполярної (однобічної) провідності деяких речовин проводив німецький фізик Г. Ом, а перший напівпровідниковий (сульфідний) випрямляч для технічного застосування виготовив у 1906 р. у Росії П. Павловський.

Відкриття ж фізичних ефектів, покладених в основу транзистора, пов'язане саме з діяльністю видатного українського фізика В. Лашкарьова (1903—1974). Він по праву мав би одержати Нобелівську премію з фізики за відкриття транзисторного ефекту, якої в 1956р. були удостоєні американські учені Дж. Бардін, В. Шоклі, У. Браттейн.

Ще в 1941 р. В. Лашкарьов опублікував статтю «Дослідження запірних шарів методом термозонда» і у співавторстві з К. Косоноговою — «Вплив домішок на вентильний фотоефект в закису міді». Лашкарьов встановив, що обидві сторони «запірного шару», розташованого паралельно межі поділу мідь—закис міді, мають протилежні знаки носіїв струму. (На мал. 46 наведено купрокс-діод нар—л-переході (мідь—закис міді). Його виготовили на військовому заводі в Уфі під керівництвом Лашкарьова під час Другої світової війни і використовували у військових польових радіостанціях.)

Це явище одержало назву р—л-переходу. Вчений пояснив і механізм інжекції — важливого явища, на основі якого діють напівпровідникові діоди і транзистори.

Перше повідомлення в американському виданні про появу напівпровідникового підсилювача-транзистора з'явилося лише у липні 1948 р., тільки через 7 років після статті В. Лашкарьова. Його винахідники — американські учені Бардін і Браттейн пішли по шляху створення так званого точкового транзистора на базі кристала германію л-типу. Перший обнадійливий результат вони одержали наприкінці 1947 р. Проте прилад поводився нестійко, його характеристики відрізнялися непередбачуваністю, і тому практичного застосування точковий транзистор не дістав.

У 1951 р. у США з'явився надійніший — площинний — транзистор л — р—л-типу. Його створив Шоклі. Транзистор складався з трьох шарів германію л-, р- і л-типу, загальною товщиною 1 см, він зовсім не був схожий на подальші мініатюрні, а з часом і невидимі оку компоненти інтегральних схем.

До речі, отримати чисті монокристали германію та кремнію і на їх основі створити площинні транзистори та діоди вдалося іншому українському вченому В. Тучкевичу, який розробив також технологію виготовлення силових напівпровідникових вентилів (тиристорів).  

Уже через декілька років значущість винаходу американських учених стала очевидною, і вони були нагороджені Нобелівською премією. Можливо, «холодна війна», що почалася тоді, відіграла свою рольутому, що В. Лашкарьов не став Нобелівським лауреатом. Його інтерес до напівпровідників не був випадковим. Починаючи з 1939 р. і до кінця життя учений послідовно і результативно займався дослідженням їх фізичних властивостей. На додаток до двох перших праць Лашкарьов у співавторстві із В. Ляшенком опублікував статтю «Електронні стани на поверхні напівпровідника», в якій було описано результати досліджень поверхневих явищ в напівпровідниках, що стали основою роботи інтегральних схем на базі польових транзисторів.

Під керівництвом В. Лашкарьова на початку 50-х років XX ст. в Інституті фізики АН УРСР було організовано виробництво точкових транзисторів. Сформована ним наукова школа у галузі фізики напівпровідників стала однією з провідних у колишньому СРСР. Визнанням видатних результатів стало створення в 1960 р. Інституту напівпровідників АН УРСР, який очолив В. Лашкарьов. У 2002 р. ім'я В. Лашкарьова присвоєно заснованому ним Інституту напівпровідників НАН України.

Досліди Електричний струм у розчинах і розплавах електролітів!!!