Электрический ток в полупроводниках
методическая разработка по физике (10 класс) по теме

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ

ГБОУ РМ СПО (ССУЗ) «САРАНСКИЙ ТЕХНИКУМ ПИЩЕВОЙ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

   Разработала преподаватель

 физики    Рязина С.Е.

                                                        САРАНСК

Тема урока: «Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы».

Цели урока:

Образовательная: 

Расширить знания учащихся о полупроводниках, дать понятие р-n-перехода и его  использование в полупроводниковом диоде, сформировать знания о применении полупроводников, расширить, углубить знания учащихся о полупроводниках.

Развивающая: 

Развивать у учащихся умение применять полученные знания о полупроводниках  к практическому применению их в технике, развивать интерес к знаниям, способность анализировать, обобщать, выделять главное.

Воспитательная: 

воспитывать гордость за свою республику, являющейся центром полупроводниковой промышленности России, раскрыть учащимся важность и перспективу использования полупроводников  в технике, значение АО "Электровыпрямитель" в производстве полупроводниковых выпрямителей.

Методическая:

Активизация познавательной деятельности учащихся на уроке физика.

Тип урока: усвоение новых знаний на основе имеющихся.

Методы проведения: объяснение учителя с применением наглядных пособий; информационный; репродуктивный, частично-поисковый, проблемный, сообщения учащихся, выполнение теста.

Методическое оснащение и оборудование:

Высказывание на доске:

                                        Науку всё глубже постигнуть стремись,

                                        Познанием вечного жаждой томись.

                                        Лишь первых познаний блеснёт тебе свет,

                                        Узнаешь: предела для знания нет.

                                                                                              Фирдоуси

Полупроводниковые приборы, фоторезисторы, солнечные батареи, таблицы, периодическая система, кроссворд, физическое домино, тесты, интерактивные лекции TeachPro ФИЗИКА 7-11 класс.

Межпредметные связи: химия - ковалентная связь, использование периодической системы Менделеева, астрономия - солнечные батареи, производственное обучение - электротовары, электротехника, история родного края.

ХОД  УРОКА

1.Организационный момент 

(объявление темы, задач и целей урока, психологическая подготовка учащихся к уроку).

Вступительное слово преподавателя: Ребята сегодня мы на уроке должны выяснить, как ведут себя полупроводниковые материалы при пропускании по ним электрического тока, какие  технические задачи разрешает промышленность с помощью полупроводников. Мы с вами узнаем историю развития полупроводниковой промышленности в Республике Мордовия, какой вклад внёс завод «Электровыпрямитель» в освоении серийного производства полупроводниковых приборов.

2.Актуализация опорных знаний

(При опросе учащихся используется презентация к уроку, в которую включены все этапы повторения материала, используемые при проведении урока).

Воспроизведение основных положений  изученного на предыдущих уроках материала:

    1.Электрическая проводимость полупроводников.

      2.Полупроводники с донорной примесью.        

     3.Полупроводники с акцепторной примесью.

    4.Разгадавание кроссворда.

1 - тип проводимости.

2 – связь между атомами Si (кремния).

3 – заряд «дырки».

4 – 5-ти валентный полупроводник.

5 – примесь.

6 - полупроводник.

7 – тип проводимости.

8 – величина, уменьшающаяся при нагревании полупроводника.

9 - примесь.

10 – частицы, создающие проводимость полупроводника р-типа.

11 - частицы, создающие проводимость полупроводника n-типа.

12 – 4-x полупроводник.

13 - 5-ти валентный полупроводник.

5.Дополнительные вопросы.

1.Что надо сделать, чтобы электропроводность германия и кремния стала такой же, как и электропроводность металла? диэлектрика?

(Ответ: нагреть, охладить.)

2.Как известно, при температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые металлы переходят в сверхпроводящее состояние, то есть сопротивление падает до нуля. Можно ли путём понижения температуры получить сверхпроводящий германий и кремний?

(Ответ: Нет, так как при понижении температуры сопротивление полупроводника возрастает.)

3.Энергии, необходимые для образования электронов проводимости в германии Е1 = 1,12·10-19 Дж, в кремнии Е2 = 1,76·10-19 Дж. В каком из этих полупроводников при данной температуре будет большая концентрация собственных электронов проводимости.

(Ответ: В германии, так как для образования электронов проводимости у него требуется меньшая энергия.)

4.Почему при изготовлении полупроводниковых материалов обращается исключительное внимание на степень их чистоты?

(Ответ: Примесь увеличивает проводимость полупроводников.)

5.Какого типа будет проводимость германия, если к нему добавить примесь фосфора (5-ти вал.)?

(Ответ: электронная.)

6. Какого типа будет проводимость германия, если к нему добавить примесь цинка (2-х вал.)?

(Ответ: дырочная.)

7.Почему измерения электропроводности полупроводников производят обычно при слабом освещении или в темноте?

(Ответ:  Электропроводность полупроводников зависит от освещения, которая может исказить результаты измерения.)

    6.Программированный опрос.

3.Объяснение нового материала.

    1.Из истории полупроводников.

Мы продолжаем изучать тему «Электрический ток в полупроводниках». Давайте ещё раз вспомним, что же такое полупроводники? Электротехника разделяет все вещества на 3 группы: проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники, в основном металлы, обладают очень малым удельным сопротивлением, поэтому металлы применяются для передачи тока.

У диэлектриков, наоборот, сопротивление огромно, они практически ток совсем не проводят. Их применяют там, где нужно преградить дорогу электрическому току и обезопасить от него людей.

Полупроводники занимают промежуточное положение, сопротивление у них более или менее большое, то есть они проводят электрический ток, но плохо.вот это промежуточное положение – ни проводники, ни диэлектрики – и послужило причиной того, что полупроводники долгое время были изгнаны из электротехники. В начале ХХ века становились на ноги такие изобретения как электродвигатель, трансформатор, линия передач и поэтому электротехника занялась решением двух проблем: пропускание тока и защита от высоких напряжений. А полупроводниками – полу изоляторами интересовались мало.

Всю историю полупроводников можно разбить на 2 этапа: до 1948 года и после. Первый этап характеризуется тем, что полупроводники в промышленности почти не применялись. Единственным исключением был силен, особыми свойствами которого заинтересовались ещё в 70-х годах ХIХ века. Но такое положение не могло продолжаться долго – техника развивается и ищет новые материалы. И полупроводники постепенно начали проникать в различные отрасли электротехники, но это были случайные, не связанные между собой применения, так как полупроводники применяли, либо совсем не подозревая, что это  полупроводники, либо не придавая этому факту никакого значения.

У нас в России в Петербурге в 1931 году академик Иоффе организует научный центр изучения полупроводников. Появились первые теоретические и экспериментальные работы физиков: Френкеля, Иоффе и других. Уже тогда Иоффе предсказывал, что с помощью  полупроводниковых элементов можно будет превращать свет и тепло в электроэнергию для нужд промышленности и быта.

1948 год в истории полупроводников имеет большое значение. В конце этого года американские физики Бардин и Браттейн изобрели полупроводниковый триод, заменяющий радиолампу.

Это событие произвело переворот в полупроводниковой технике. Это изобретение открыло глаза на несправедливо забытых пасынков электротехники полупроводников – и помогло увидеть, какие необъятные перспективы открывают они для развития техники.

После 1948 года полупроводниками стали заниматься целые армии исследователей и инженеров, полупроводники вошли в промышленность, в народное хозяйство.

    2.Использование полупроводников  в устройстве:

       - термисторов,

       - фоторезисторов.

       - сообщение учащегося.

Какие же технические задачи разрешает промышленность с помощью полупроводников?

1) Превращают переменный ток в постоянный.

2) Усиливают высокочастотные колебания.

3) Регулируют силу тока и напряжения.

4) Разрешают разнообразные задачи автоматики и телеуправления.

5) Измеряют температуру и освещённость помещений.

6) Сигнализируют на десятки километров о присутствии светящихся или нагретых тел.

7) Превращают тепловую энергию в электрическую.

8) Создают с помощью электрического тока тепло и холод.

9) Превращают энергию солнечных лучей в электрическую (солнечные батареи).

10) Усиливают в миллионы раз самые слабые пучки электронов.

Самыми простейшими полупроводниковыми приборами являются термисторы и фоторезисторы. Эти полупроводниковые приборы по конструкции предельно просты. Они представляют собой всего-навсего небольшие кристаллики полупроводника с контактами. Однако, благодаря, замечательным физическим свойствам полупроводников, даже эти простейшие приборы способны решать множество трудных, важных и интересных задач в самых разных областях науки и техники.

1) ТЕРМИСТОРЫ (терморезисторы, термосопротивления).

Мы знаем, что в полупроводниках сопротивление очень сильно зависит от температуры. Термисторы – это приборы, которые используют зависимость сопротивления полупроводников от температуры.

Выпускают термисторы в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок размером от нескольких микрометров до нескольких сантиметров.

Где же используются термисторы?

Выступление учащегося.

Термисторы используются:

- в качестве термометров для измерения и регулирования  температуры в диапазоне от 1 К до температуры расплавленной стали 1800 К.

- для стабилизации различных элементов электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры.

- для контроля тепловых режимов машин, механизмов.

- для контроля температуры тяжёлобольных в реанимационных палатах

- для дистанционного наблюдения за состоянием здоровья редких и ценных животных.

- для изучения спектра Солнца и звёзд.

- для измерения температуры, противопожарной сигнализации, что позволяет определять температуру любого числа помещений или предметов из одного наблюдательного пункта.

На больших теплоходах несколько тысяч термисторов размещают по всему кораблю и контролируют температуру везде, где это представляет интерес. Термисторы могут не только контролировать, но и поддерживать желаемую температуру в данном помещении.

Преподаватель:

    Вы будущие работники  пищевой промышленности, где также используются эти устройства для измерения и поддерживания температуры в плитах, жарочных шкафах и других устройствах.

2)ФОТОРЕЗИСТОРЫ.

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется под действием света. Основу любого фоторезистора составляет полупроводниковая пластинка или плёнка. В этих приборах используется явление фотоэффекта (явление вырывания электронов из вещества под действием света), которое мы будем с вами изучать на 2 курсе и ещё встретимся с этими приборами и рассмотрим их более глубоко и научно. Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторов позволяет использовать их в самых различных областях науки и техники.

Что же умеют фоторезисторы?

Выступление учащегося.

Один впечатляющий пример.

В июне 1982 года, когда английские десантники захватили порт Стенли – административный центр Фолклендских островов, в Южном полушарии, была зима. Как писала газета «Известия» немалую роль в развитии событий сыграло то обстоятельство, что любая попытка аргентинских солдат обогреться и развести костёр, немедленно приводила к накрытию костра, а с ним, как правило, миномётной или артиллерийской позиции, английской ракетой с головкой самонаведения. Фоторезистор, по сигналам которого наводилась ракета, реагировал на инфракрасное излучение костра.

Фоторезисторы установленные на спутниках, следят за запуском чужих ракет. Каждый такой запуск сопровождается характерной и очень мощной вспышкой. Анализ характера вспышки позволяет судить о том, какого типа ракета запущена.

Способность фоторезисторов реагировать на тепловое излучение используют и в мирных целях – для измерения температуры расплавленной стали и чугуна в металлургической промышленности и раскалённой массы материала в керамической, цементной и многих других отраслях промышленности.

Фотосопротивления также находят широкое применение:

- для целей сигнализации и автоматики.

- для управления на расстоянии производственными процессами.

- для сортировки изделий по их размерам.

- для автоматического регулирования освещённости и др.

   3.Контакт двух полупроводников (р-n-переход).

Но огромное практическое применение получил контакт двух полупроводников или р-n-переход, который обладает односторонней проводимостью, то есть пропускает ток только в одном направлении.

Что же собой представляет р-n-переход?

                                                     Использование интерактивного диска

                                                      TeachPro ФИЗИКА 7-11 класс.

Вывод: В связи с тем, что р-n-переход пропускает электрический ток только в одном направлении, его используют для выпрямления переменного тока.

   4.Использование р-n-перехода в полупроводниковом диоде, его устройство, принцип действия, применение.

Известно, что все электростанции производят переменный ток. Однако имеется множество потребителей, которые не могут обойтись без постоянного тока. Это:

- городской транспорт: троллейбусы, трамваи, метро;

- электролиз;

- зарядка аккумуляторов;

- гальванические покрытия деталей (золочение, серебрение, никелирование, хромирование и т.д.);

- химическая промышленность;

- нефтяная промышленность;

- судостроение и т.д.

Раньше для выпрямления электрического тока использовали ртутные выпрямители, которые выпускал завод «Электровыпрямитель» и которые можно увидеть в музее этого предприятия. Ртутные выпрямители имели низкий КПД, они очень хрупкие, громоздкие. недолговечные и в них используется ядовитая ртуть.

В настоящее время используются полупроводниковые выпрямители – полупроводниковые диоды, которые изготавливают в основном из германия и кремния. Вообще любой полупроводниковый выпрямительный элемент состоит из электронного и дырочного полупроводников.

Использование интерактивного диска TeachPro ФИЗИКА 7-11 класс.

Преимущества полупроводниковых диодов:

- высокая надёжность,

- практически неограниченный срок службы,

- компактны, удобны в транспортировке,

- просты по устройству, экономичны.

Недостатки:

- могут работать в ограниченном интервале температур (от 700С до 1250С).

Полупроводниковые приборы нашли применение в радиотехнике: в приёмниках, телевизорах, магнитофонах, на искусственных спутниках Земли, электронно-вычислительных машинах.

Наша республика Мордовия занимает одно из ведущих мест в полупроводниковой промышленности России. У нас в Саранске имеется флагман полупроводниковой промышленности акционерное общество «Электровыпрямитель», которое выпускает высококачественные полупроводниковые приборы, которые находят широкое применение во многих отраслях народного хозяйства.

Демонстрация коллекции полупроводниковых приборов.

 5.Сообщение учащегося о музее Трудовой славы АО "Электровыпрямитель".

Завод «Электровыпрямитель» начал свою биографию в грозные годы Великой Отечественной войны. 4 августа 1941 года в Ленинграде (ныне Петербург) эшелон с оборудованием для нового завода и ста специалистами эвакуировался на восток, сначала в город Балашов, а затем в посёлок Базарный Карабулак Саратовской области, где разместился в полусгоревшем здании районного Дома культуры.

Преодолев много трудностей, в мае 1942 года завод начал выпускать продукцию: купруксные, селеновые и ртутные выпрямители, в которых нуждались автотранспорт, авиация, бронетанковые войска. Однако, как бы высок ни был трудовой энтузиазм коллектива завода, развиваться в Базарном Карбулаке он не мог: не хватало воды, электроэнергии, большие трудности возникали из-за удаленности от железной дороги (7—8 км).

На основании распоряжения Совета Народных Комиссаров СССР  в сентябре 1944 года завод перебазируется в город Саранск.

С этого времени начинается бурное развитие предприятия.  С годами росло производство полупроводниковых приборов и преобразователей, увеличился объём производства и количество работников завода. К 1960 году производство новых аппаратов и выпрямительных устройств на полупроводниках увеличилось в 52 раза. Продукция завода экспонировалась на ВДНХ СССР и получила высокую оценку.

В 1966 году 19 июня завод был награждён орденом Трудового Красного Знамени за большой вклад в разработку и освоение серийного производства полупроводниковых приборов.

За разработку технологии изготовления и внедрения в серийное производство силовых кремниевых вентелей пятеро представителей завода в 1966 году были удостоены Ленинской премии.

С годами завод превратился в крупнейшее объединение, продукция которого экспортировалась в 50 стран мира, оно выпускало в начале 90-х годов свыше 200 наименований изделий.

Многие предприятия нашей страны оснащены полупроводниковой техникой завода «Электровыпрямитель». Это Красноярский и Братский алюминиевые заводы, Норильский горно-металлургический комбинат и др. преобразовательные установки работают на многих ГЭС и ГРЭС, на атомных ледоколах.

В 90-х годах, как и вся страна завод испытывал огромные трудности, он стал акционерным обществом, снизилось производство, уменьшился рынок сбыта. Количество рабочих с 10 тыс. до 4 тыс. чтобы как-то остаться на плаву завод стал выпускать товары народного потребления: соковыжималки, камины, стабилизаторы и др.

    6.Заключение.

Да достойная биография у гиганта полупроводниковой промышленности завода «Электровыпрямитель», славный путь он прошёл за 70 неполных лет своего существования. Хочется надеяться, что и наше тяжёлое время наш гигант восстановит свою былую мощь, расправит свои богатырские плечи, пойдёт дальше, вписывая славные страницы в свою биографию. Залог этому – замечательные люди, работающие на этом предприятии.

4.Закрепление и обобщение нового материала.

(Проверка качества, закрепление и обобщение изученного, выводы.)

Вопросы для закрепления:

- Можно ли получить р-n-переход, производя вплавление олова в германий или кремний? (Ge – 4-x вал., Si – 4-x вал., Sn – 4-х вал.)

(Ответ: получить р-n-переход на основе германия – олово или кремний – олово нельзя, так как олово также 4-х вал., и атоиы олова, попадая в решётку кремния или германия, не создадут в ней ни дырок, ни дополнительных электронов.)

- В лаборатории имеется столбик, вырезанный из монокристалла германия, а также цинк и фосфор. Каким образом из этих веществ можно получить р-n-переход? (Ge – 4-x вал., Zn – 2-x вал., P – 5-ти вал.)

(Ответ: р-n-переход можно получить, производя вплавление в столбик германия с одной стороны цинка, а с другой стороны фосфора.)

- какие преимущества и недостатки имеют полупроводниковые приборы?

(Ответ: преимущества: высокий кпд, малые размеры, длительный срок службы, малая потребляемая мощность; недостатки: температурная зависимость характеристик приборов.)

6.Подведение итогов урока.

(Выставление оценок и их комментарий.)

7.Задание на дом: § 117, 118, 119; Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев «ФИЗИКА – 10».

Подготовить рефераты на тему: «Полупроводниковые приборы и их использование»

Я познаю мир: Дет.энциклопедия: Изобретения / А.Леонович, под ред. Е.М.Ивановой.- М.: ООО «Издательство АСТ», 2001 год

Большая серия знаний. Физика / Брилёв Д.В., М.: ООО «ТД «Издательство Мир книги»», 2006 год.