3. Особливості вивчення теми.

Під час вибору змісту курсу фізики враховується рівень розвитку фізичної науки,зв'язок фізики з іншими навчальними предметами, із життям, з розвитком техніки. Зокрема, успіхи і досягнення фізичної науки в галузі дослідження напівпровідників зумовили необхідність підвищення наукового рівня викладання фізики, приведення його у відповідність до сучасного рівня розвитку науки та техніки.

Початок використання напівпровідників та напівпровідникових приладів було покладено після винайдення транзистора у 1948 році. Фізика напівпровідників сьогодні - це галузь науки, досягнення якої використовуються практично в будь-якій галузі діяльності людини. Велика популярність напівпровідників пояснюється високою економічністю апаратури на напівпровідниках, довговічністю та надійністю при малих габаритах.

Оскільки вивчення будь-якого поняття починається з визначення, розглянемо визначення напівпровідників, подані у шкільних підручниках. У підручнику [3] стверджується: «Напівпровідники - це речовини, які за своїм питомим опором займають проміжне місце між провідниками та діелектриками. Опір напівпровідників під час нагрівання зменшується, він також залежить від освітленості, температури, різних типів випромінювання тощо.» На мою думку, дане визначення не можна вважати чітким, адже характер залежності питомого опору від температури не є їхньою характерною особливістю, яка вирізняє їх від інших речовин. Для ілюстрації цього можна навести приклад залежності питомого опору від температури для електролітів, який веде себе аналогічно до питомого опору напівпровідників при зміні температури.

Відсутність чіткого визначення зумовлювало на різних етапах вивчення

напівпровідників коригування уже існуючих визначень. Відоме класичне

визначення напівпровідників, яке ґрунтується на різній здатності речовин

проводити електричний струм: «Напівпровідники - широкий клас речовин з

12

електронним механізмом електропровідності, питоме значення якої займає проміжне положення між металами (сг = 10⁴ -10⁶ ОлГ¹ -слг¹) і гарними діелектриками О = 10“¹²-10 ‘"ОлГ’-слГ¹) (інтервали значень вказані при кімнатній температурі)» [9].

Розвиток вчення про напівпровідники виявив недосконалість такого визначення. Відомо, що при значному вмісті домішок, такі відомі напівпровідники, як Германій та Кремній, мають питому провідність 10*Ом~'-см~^х. Також відомо, що кристали арсеніду галію при відповідному легуванні стають практично ізоляторами. Звідси випливає, що відмінність напівпровідників від металів та діелектриків за питомою провідністю не є їхньою характерною особливістю.

Слід відмітити, що при введені поняття напівпровідник не варто концентрувати увагу саме на конкретній залежності їх питомого опору від певних параметрів, а потрібно відзначити, що напівпровідники - це речовини, питомий опір яких визначається їх станом та умовами зовнішнього середовища (температурою,наявністю домішок, освітленістю і т.п.).

Ще одним недоліком є те, що властивості напівпровідників в курсі фізики вивчаються тільки на прикладі Б і або Ое. Хоча, як відомо, напівпровідників у природі є значно більше.

Потрібно також зазначити, що напівпровідники розрізняють також за агрегатним станом (тверді, рідкі), структурою (кристалічні, некристалічні), хімічним складом ( органічні, неорганічні, елементарні, з’єднання, сплави), властивостями та іншими ознаками [10].

Ще одним недоліком є те, що при вивченні напівпровідникових приладів не вказують їх класифікації та матеріалів, з яких вони виготовленні. Так, при вивченні терморезисторів варто вказати, що за призначенням їх поділяють на такі групи:

• Для вимірювання та регулювання температури;

13

• Для термокомпенсадії елементів електричного кола в широкому інтервалі температур;

• Для систем теплового контролю;

• Для використання як чутливого елемента при вимірюванні потужності НВЧ коливань від долі мікровату до одиниць мілівату;

• Для стабілізації напруги в колах постійного та змінного струму;

• Для регулювання безконтактних опорів з розділеними ділянками регулювання та управління [9].

Всі вище наведені доповнення стосуються переважно класів із поглибленими вивченням фізики або факультативів. Але навіть у базовому курсі фізики варто, враховуючи принцип науковості процесу навчання, звернути увагу на протиріччя між наведеними у шкільних підручниках визначення напівпровідників та сучасним рівнем знань про них, розповісти про класифікацію напівпровідників та напівпровідникових приладів.

Якщо ж говорити про вивчення теми «Напівпровідники» у базовому курсі фізики, то тут слід розглянути дві групи питань: електропровідність напівпровідників та її залежність від температури, освітленості та домішок; напівпровідникові пристрої та їх технічні застосування.

Залежність електропровідності напівпровідників від температури є яскраво вираженою і є найбільш загальною властивістю для усіх напівпровідників. Вивчення цієї залежності допомагає вияснити походження носіїв заряду в напівпровідниках та показати технічне застосування напівпровідників для вимірювання та регулювання температури.

При вивченні даної властивості напівпровідників доцільно було б використати наступну демонстрацію:

Залежність опору напівпровідників від температури.

14

Установку збирають згідно із рисунком. З термістора знімають провідниковий нагрівач. Напругу джерела струму підбирають такою, щоб при замиканні кола стрілка гальванометра відхилилася на 2-4 поділки. Звертають увагу на покази гальванометра, коли термістор знаходиться при кімнатній температурі. Опускають термістор у склянку з гарячою водою (50-60°С) і слідкують за показами гальванометра. Роблять висновок про залежність опору напівпровідника від нагрівання. Переносять термістор в склянку із холодною водою, відмічають покази гальванометра, роблять висновок. [11,150-153]

Дану демонстрацію краще проводити перед поясненням матеріалу, що стосується властивостей напівпровідників. Ця демонстрація поставить перед учнями проблему, вирішення якої кожен із учнів зможе запропонувати самостійно в ході пояснення нового матеріалу.

Розглянемо вивчення інших властивостей напівпровідників у шкільному курсі фізики. Згідно із програмою вивчається вплив освітлення на електропровідність напівпровідників, хоча й відомі інші методи зміни електропровідності напівпровідників, зокрема: вплив випромінювання, бомбардування швидкими часточками, дією сильного електричного поля, деформацією і т.д. Вплив на електропровідність напівпровідників освітлення (внутрішній фотоефект) лежить в основі дії різноманітних фотоопорів, що

15

широко використовуються в оптичних вимірюваннях та в фотоелектронній автоматиці.

Для демонстрації даної властивості при поясненні матеріалу доцільно провести наступну демонстрацію:

Залежність опору напівпровідників від освітленості.

Рис. 2

Установку збирають згідно із рисунком. Замикають ключ і звертають увагу на покази гальванометра. Стрілка відхилилася на 2-4 поділки. Вмикають електричну лампу, яка знаходиться на відстані 0,5м від фоторезистора. Слідкують за показами гальванометра. Роблять висновки. [11,160-162]

Важливе значення має також вивчення залежності електропровідності напівпровідників від різноманітних домішок, оскільки вони відіграють вирішальну роль у електричних властивостях напівпровідників. Домішки змінюють не лише величину електропровідності, а й знак носіїв заряду. Вивчення домішкової електропровідності дозволяє пояснити яким чином можна створити напівпровідники із наперед заданими властивостями.

Крім перерахованих властивостей напівпровідників, у шкільному курсі фізики передбачено вивчення контактних властивостей напівпровідників, з різними типами провідності, тобто властивостей електронно-діркового переходу. Саме ЦІ властивості сприяли широкому використанню напівпровідникових приладів у техніці.

Випрямляюча властивість електронно-діркового переходу лежить в основі роботи напівпровідникового діода. Він широко використовується у радіотехніці,

16

електроніці, автоматиці та енергетиці. На основі фотоелектричних властивостей напівпровідників працюють фотоелементи, фотоелектронні перетворювачі. У шкільному кірсі фізики вивчаються лише фотоелементи, що широко використовуються при світлових вимірюваннях, у звуковому кіно, телебаченні.

Вивчення термоелектричних властивостей напівпровідників дозволяє по напрямку термос току визначити знак носіїв заряду І таким чином, експериментально дослідити існування електронної та діркової провідності в напівпровідниках.

Основні властивості напівпровідників, механізми власної та домІшкової провідності напівпровідників у курсі шкільної фізики пояснюється на основі класичної електронної теорії із використанням поняття хімічного зв’язку.

Вивчення власної провідності напівпровідників доцільно розпочати короткого повторення будови твердого тіла та розгляду різноманітних видів зв’язків між атомами та молекулами в кристалах.

Особливу увагу слід приділити на ковалентні зв’язки, що характерні для напівпровідників.

Розглядають ідеальну решітку германію чи кремнію за низьких температур, коли всі електрони атомів утворили ковалентні зв’язки із сусідніми атомами. Тобто електрони не можуть брати участь у проходженні електричного струму - напівпровідник веде себе як діелектрик.

Для вивільнення валентних електронів необхідно затратити певну енергію. Цю енергію електрони можуть отримати, наприклад, в результаті теплового руху чи освітлення. Вводять поняття електронної провідності напівпровідників.

За допомогою цього ж прикладу, беручи до уваги утворення вакантних місць при розриві ковалентних зв’язків. Таким чином вводять поняття діркової провідності напівпровідників.

17

Далі розглядають той самий напівпровідник, в кристалічну решітку якого внесено домішки (атом п’ятивалентного або тривалентного елемента). Звертають увагу, що при внесенні домішкових атомів концентрація вільних носіїв заряду зростає. На основі цього вводять поняття про основні та не основні носії заряду та двох видів електропровідності - електронної та діркової. Важливо зазначити, що при малих температурах провідність напівпровідників є в основному домішкової, а при високих - власного.

Згідно із попередніми роздувами учням слід наголосити, що дірки не є часточками, а в електропровідності беруть участь лише валентні електрони, ніяких інших носіїв заряду у напівпровідниках немає. Електропровідності відрізняються одна від одної лише механізмом руху електронів.

При вивченні контактних властивостей напівпровідників відмічають, що шляхом введення домішкових атомів в напівпровідник можна отримати не лише електронні чи діркові напівпровідники, але й в одному і тому ж кристалі отримати ділянки з електронною та дірковою провідністю, а на їх межі - електронно-дірковий перехід.

Вивчення основних властивостей напівпровідників повинно зводитися до розгляду їх практичного застосування. Головну увагу слід зосередити на використанні напівпровідників в електроніці, автоматиці та приладобудові. Найкраще це зробити шляхом демонстрацій відповідних дослідів із напівпровідниковими приладами. Проте це є проблематичним, якщо враховувати матеріальну базу кабінету фізики у сучасній школі.

В процесі вивчення напівпровідникових приладів необхідно виділити в них основне, принципове; вияснити, перш за все, суть фізичних процесів, які мають місце при роботі приладу; вияснити в приладах риси їх подібності та розбіжності.

При вивченні основних властивостей напівпровідникових приладів слід

опиратися на демонстраційний та лабораторний експеримент.

18