Электрический ток в полупроводниках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Электрический ток в полупроводниках

2. Вопросы допуска

3. Контрольные вопросы

4. Тест

5. Краткая теория

Заключение

Список литературы

полупроводник ток энергия

Введение

Программой курса физики средней школы значительная часть времени отводится физическому эксперименту, выполняемом обучающимися в виде фронтальных лабораторных работ и лабораторных работ практикума.

Учебному физическому эксперименту придается особое значение, в ходе учебного процесса в школе, так как он способствует глубокому, прочному и осознанному усвоению учебного материала, а также приобретению обучающимися практических умений и навыков работы с лабораторным оборудованием, измерительными приборами и техническими устройствами. Учебный физический эксперимент является средством обучения физики.

Нами разработаны методические рекомендации к проведению и организации лабораторного практикума по теме: «Электрический ток в полупроводниках», которые содержат перечень оборудования, теоретические положения по содержанию работы, схемы, чертежи, вывод формул и прочее, описание неизвестных приборов, контрольные вопросы, на которые предлагается ответить обучающимся после выполнения физических экспериментов.

1. Электрический ток в полупроводниках

Повторить тему «Электрический ток в полупроводниках»

Выполнить следующие опыты [2]:

Опыт 153. Электронная и дырочная электропроводность полупроводников;

Опыт 154. Зависимость электропроводности полупроводников от температуры; [2]

Опыт 157. Зависимость электропроводности полупроводников от освещенности;

Опыт 160. Односторонняя электропроводность полупроводникового диода;

Опыт 161. Выпрямление переменного тока полупроводниковым диодом;

Опыт 162. Действие полупроводникового термоэлемента;

Опыт 163. Действие полупроводникового фотоэлемента (рис. 3-119).

2. Вопросы допуска

Электрический ток в полупроводниках

Что является носителем тока в полупроводниках?

Какой характерной особенностью обладают полупроводники?

Постройте график зависимости удельного сопротивления полупроводника от температуры. Приведите для сравнения аналогичную зависимость для металлов.

Какие виды проводимости вам известны?

Объясните р - п - переход.

Объясните устройство полупроводникового диода.

В чем заключается основное свойство полупроводникового диода?

Изобразите вольт - амперную характеристику полупроводникового диода.

В чем заключается отличие вольт - амперной характеристики полупроводникового диода от вольт - амперной характеристики вакуумного диода?

С какой целью применяют полупроводниковые диоды?

3. Контрольные вопросы

Электрический ток в полупроводниках

В чем различие проводимости проводников от полупроводников?

Какие виды электропроводности вам известны?

Являются ли дырки реальными частицами? Объясните существование дырочной проводимости.

Как объяснить уменьшение удельного сопротивления полупроводника при повышении температуры?

Объясните устройство полупроводникового диода.

Что показывает вольт - амперная характеристика полупроводникового диода?

Изобразите вольт - амперную характеристику полупроводникового диода. Объясните, почему сила тока в проходном направлении с увеличением напряжения растет очень быстро, в запирающем же направлении - очень медленно и почти не меняется с ростом напряжения?

Отметьте основные преимущества полупроводникового диода по сравнению с вакуумным диодом.

Изобразите вольт - амперную характеристику фоторезистора. Существует ли на графике ток насыщения?

Увеличатся ли показания гальванометра, если изменить полярность включения фоторезистора в цепь? Увеличить напряжение источника тока?

4. Тест

Электрический ток в полупроводниках

Характерной особенностью полупроводников является…

Электропроводность;

Зависимость электропроводности от внешних условий;

Независимость сопротивления от температуры;

Односторонняя проводимость.

Ток в полупроводниках, не содержащих примесей, может создаваться

Только электронами;

Только ионами;

Электронами и ионами;

Электронами и дырками.

При увеличении температуры электрическое сопротивление полупроводников…

Увеличивается из-за увеличения скорости движения электронов;

Уменьшается из-за увеличения скорости движения электронов;

Увеличивается из-за увеличения концентрации свободных носителей электрического заряда;

Уменьшается из-за увеличения концентрации свободных носителей электрического заряда.

Полупроводниковые материалы без примесей обладают проводимостью

В основном электронной;

В основном дырочной;

Одинаково и электронной и дырочной;

Ионной;

В четырехвалентный кремний добавили в первый раз трехвалентный индий, а во второй раз - пятивалентный фосфор. Полупроводник будет обладать в первом случае (…) во втором (…) проводимостью

Дырочной, электронной;

Электронной, дырочной;

В обоих случаях электронной;

В обоих случаях дырочной.

Для выпрямления переменного тока используется

Полупроводниковый кристалл;

Полупроводниковый диод;

Полупроводниковый транзистор;

Электровакуумный диод.

Ученый, получивший Нобелевскую премию за исследование полупроводников, использующихся в лазерах, средствах мобильной связи и т.д …

П. Черенков;

А. Гинзбург;

Ж. Алферов;

Л. Ландау.

Вольт - амперной характеристике полупроводникового диода, включенного в прямом направлении, соответствует график

b)

c)

d)

Установите соответствия между электрическими приборами и их свойствами

Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют _______.

11) Установите соответствия между веществами и их проводимостью заряда:

12) Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются ________.

13) Граница, разделяющая области с дырочной (p) - и электронной (n) проводимостями в одном монокристалле, называется ___________.

5. Краткая теория

В полупроводниках при некотором значении температуры, отличном от нуля, часть электронов будет иметь энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Эти электроны становятся свободными, а полупроводники - электропроводными. Уход электрона из валентной зоны, приводит к освобождению местоположения отсутствующего электрона, перемещается в пространстве от одного атома к другому. Перемещение избыточных электронов по кристаллической решетке сопровождается перемещением соответствующих вакансий. Такое перемещение электронов можно рассматривать как движение положительно заряженных фиктивных зарядов-дырок, создающих дырочный ток. Таким образом, электрический ток в полупроводнике одновременно создается движением электронов и дырок, создавая электронную и дырочную проводимость. У абсолютно чистого и однородного полупроводников свободные электроны и дырки образуются попарно, т.е.:

n = p = ni = pi,

где ni, pi - количество электронов и дырок в собственном (i-ом) полупроводнике.

Опыты показывают, что при нагревании электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов уменьшается. Уменьшение электрического сопротивления полупроводников при нагревании объясняется тем, что с повышением температуры кристалла число освобождающихся электронов увеличивается, концентрация свободных электронов в кристалле возрастает. Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых материалов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах - терморезисторах.

Опыты показывают, что при нагревании электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов изменяется не только при их нагревании, но и при освещении. При увеличении освещения электрическое сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается. Это означает, что энергия, необходимая для освобождения электронов и дырок, может быть передана им светом, падающим на кристалл. Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами.

Электронно - дырочные переходы, или сокращенно p - n-переход, является границей, разделяющей области с дырочной (p) - и электронной (n) проводимостями в одном монокристалле. Для создания p - n-перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью - область с электронной проводимостью. Запирающий слой - тонкий слой на границе контакта полупроводника с металлом или на границе раздела областей с различными типами проводимости, обладающий свойствами односторонней проводимости.

Если к p - n-переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление p - n-перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения диода называется включением в запирающем или в обратном направлении. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, из которых изготовлен диод, т.е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в р-полупроводнике и дырок в п-полупроводнике.

Если к p - n-переходу приложено напряжение знаком плюс на область с дырочной проводимостью и знаком минус на область с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через p - n-переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его удельное сопротивление. Сила тока через диод в этом случае при напряжениях превышающих Uк (напряжение, которое создают объемные заряды ионов между областями с различным типом проводимости), ограничивается лишь сопротивлением внешней электрической цепи. Этот способ включения диода называется включением в пропускном или прямом направлении.

Способность p - n-перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный, точнее пульсирующий, ток. Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий КПД, а недостатком - зависимость параметров от температуры. Как правило, диоды изготавливают из кристалла германия или кремния, с проводимостью n-типа. В одну из поверхностей кристалла вплавляют каплю индия. Вследствие диффузии атомов индия в глубь второго кристалла, в нём образуется область p-типа. Остальная часть кристалла по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между ними и возникает p - n-переход. Электровакуумный диод состоит из стеклянного из стеклянного баллона, в котором находятся два электрода: катод и анод. Анод изготовлен из металлической пластины, катод - из тонкой металлической проволоки, свернутой в спираль. Концы спирали укреплены на металлических стержнях, имеющих два вывода для подключения в электрическую цепь. Соединив выводы катода с источником тока, можно вызвать нагревание проволочной спирали катода проходящим током до высокой температуры. Включив вакуумный диод в электрическую цепь последовательно с источником постоянного тока и амперметром, можно обнаружить основное свойство диода, используемое в различных радиоэлектронных приборах - одностороннюю проводимость.

Для преобразования энергии светового излучения в энергию электрического тока широко применяются и полупрововодниковые фотоэлементы (помимо вакуумного фотоэлемента). Полупроводниковый элемент имеет следующее устройство. В плоском кристалле кремния или другого полупроводника с дырочной проводимостью создается тонкий слой полупроводника с электронной проводимостью. На границе раздела этих слоев возникает p - n-переход. При освещении полупроводникового кристалла в результате поглощения света происходит изменение распределения электронов и дырок по энергиям. Этот процесс называется внутренним фотоэффектом. В результате внутреннего фотоэффекта увеличивается количество свободных электронов и дырок в полупроводнике, происходит их разделение на границе p - n-перехода. При соединении противоположных слоев полупроводникового фотоэлемента проводником в цепи возникает электрический ток; сила тока в цепи пропорциональна мощности светового потока излучения, падающего на фотоэлемент. Включение фотоэлемента последовательно с обмоткой электромагнитного реле позволяет автоматически включать или выключать исполнительные устройства при попадании света на фотоэлемент.

Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока. Так как полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых диодов применяется для выпрямления переменного тока. Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на рис. 3.8,а. В ней последовательно соединены генератор переменной ЭДС (ё),диод Д и нагрузочный резистор RH, который можно включать также и в другой провод, как показано штрихами. Эта схема называется однополупериодной. Правильнее бы называть ее однофазной однотактной, так как генератор переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него только в одном направлении один раз за период (один такт за период). Другие, более сложные схемы для выпрямления (двухфазные, трехфазные, двухтактные и др.), представляют собой комбинацию нескольких однофазных однотактных схем.

В выпрямителях для питания РЭА генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рис. 3.8, б). В некоторых случаях выпрямитель питается от сети без трансформатора. Роль нагрузочного резистора RH, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются от выпрямителя. При выпрямлении токов высокой частоты, например, в детекторных каскадах радиоприемников генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а нагрузкой -- резистор с большим сопротивлением. Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. Будем считать, что генератор дает синусоидальную ЭДС е = Етsinwt и его внутренним сопротивлением можно пренебречь (если нельзя, то его учитывают обычным путем). В течение одного полупериода напряжение для диода является прямым и проходит ток, создающий на резисторе RH падение напряжения uR. В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет и uR = 0. Таким образом, через диод, нагрузочный резистор и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Этот ток называют выпрямленным током. Он создает на резисторе RH выпрямленное напряжение. Проследив направление тока, нетрудно установить полярность этого напряжения: со стороны катода диода получается плюс, а со стороны анода -- минус. Графики на рис. 3.9 наглядно иллюстрируют процессы в выпрямителе. Переменная ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Ет (рис. 3.9, а). Как правило, сопротивление нагрузки во много раз больше сопротивления диода, и тогда нелинейностью диода можно пренебречь (рабочая характеристика близка к линейной). В этом случае выпрямленный ток имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением Imах (рис. 3.9, б). Этот же график тока в другом масштабе изображает выпрямленное напряжение uR, так как uR = iRH.

Заключение

Данный инструмент позволит приобрести обучающимся практические умения и навыки работы с лабораторным оборудованием, измерительными приборами и техническими устройствами, систематизировать знаний, установить внутрипредметные и межпредметные связи.

Список литературы

1. О.Ф. Кабардин. Физика. Справ. материалы: Учеб. пособие для учащихся. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Просвещение, 1988. - 367 с.:

2. Буров В.А. и др. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. Ч.1- М.: Просвещение, 1978. - 351 с.

Размещено на Allbest.ru