Хід уроку

1. Актуалізація.

У другій половині XX ст. увагу фізиків привернули кристали, властивості яких помітно відрізнялися від інших кристалічних речовин: вони проводили електричний струм, але гірше, ніж метали; їхній питомий опір (на відміну від металів) з підвищенням температури зменшувався. Назвали їх напівпровідниками. Подальше вивчення властивостей цих незвичайних речовин привело до виявлення в них низки чудових властивостей, які тепер використовують у різних галузях науки і техніки, побуті.

2. Пояснення нового матеріалу

32

Напівпровідники - це речовини. Які за значенням свого питомого електричного опору займають проміжне положення між металами (уо = 10^-7 -Ом-м) та діелектриками (р>]0^&0м-м), при цьому їхній питомий опір швидко спадає при підвищенні температури і залежить від освітленості.

Демонстрування дослідів.

Дослід №1. Демонстрування залежності опору напівпровідників від температури (за відсутності приладів використовуємо програмний засіб «Віртуальна фізична лабораторія 10-11 клас»).

Дослід №2. Демонстрування залежності опору напівпровідників від освітленості.

Бесіда із учнями.

1. Давайте пригадаємо будову твердого тіла.

2. Яким чином атоми та молекули зв’язані між собою у твердих тілах?

3. Які види хімічних зв’язків ви знаєте?

Типовими, широко використовуваними напівпровідниками є Германій (Ое), Кремній (Бі) та Телур (Те). Ці хімічні елементи відносяться до четвертої та шостої груп періодичної системи, і на зовнішній електронній оболонці атомів цих елементів міститься чотири валентних електрона. Ч Ч . ч

атомів ковалентними зв’язками. В чистому кристалі Германію та в інших кристалах напівпровідникових елементів при низьких температурах вільних електронів немає, а такі кристали за даних умов є хорошими діелектриками.

Кристали Германію та інших напівпровідників мають атомну кристалічну решітку. Плоска схема структури кристалу германію зображена на рис.1. Чотири валентних електрона кожного атома Германію зв’язані з такими ж електронами сусідніх

33

Електропровідність чистого напівпровідника є можливою в тих випадках, коли ковалентні зв’язки в кристалах розриваються. Наприклад. Нагрівання до порівняно невисоких температур призводить до розриву ковалентних зв’язків, появі вільних електронів та виникнення власної електронної провідності (провідності «-типу) чистого напівпровідника.

Питомий опір напівпровідників змінюється в дуже великих межах, проте він менший ніж у діелектриків і більший ніж у провідників (рис.2). Крім нагрівання розрив ковалентних зв’язків та виникнення власної провідності

напівпровідників може бути викликані освітленням (іфотопровідність напівпровідників), а також дією сильних електричних полів.

Коли кристалічно чистий напівпровідник отримує енергію, яка необхідна для розриву ковалентних зв’язків, і електрон виходить із свого місця, електронейтральність кристала у цьому місці порушується. У тому місці, звідки пішов електрон, виникає у надлишку позитивний заряд -

утворюється позитивна дірка. На звільнене від електрона місце - дірку - може переміститися сусідній електрон, а це еквівалентно до того, що перемістилася позитивна дірка: вона з’явилася в новому місці, звідки перемістився електрон.

У зовнішньому електричному полі електрони переміщуються в напрямку, протилежному до напрямку напруженості електричного поля. Позитивні дірки переміщуються в напрямку напруженості електричного поля, тобто в тому напрямку, в якому рухався б позитивний заряд під дією електричного поля.

Процес переміщення електронів та дірок у зовнішньому електричному полі відбувається по всьому кристалі напівпровідника. Електропровідність чистого напівпровідника, що зумовлена впорядкованим переміщенням дірок, називають власного дірковою провідністю (провідністю р-типу).

метали

б} напівпровідники

Рис. 2

34

Загальна питома провідність напівпровідників складається із провідностей п- тар-типів.

Власна і домішкова провідності напівпровідників. На електричні властивості напівпровідників значний вплив можуть створювати домішки.

Домішкова провідність напівпровідників - електропровідність напівпровідників, зумовлена внесенням в їх кристалічні решітки домішок.

Наприклад, якщо в кристалічній решітці Германію, який має чотири валентних електрони, один Із атомів замінити атомом п’ятивалентного

елемента, наприклад миш'яку (Аб) (рис.З), то його чотири валентних електрони будуть брати участь у ковалентних зв’язках із сусідніми атомами Германію, а

п’ятий електрон буде «зайвим». Він буде значно слабше зв’язаний із своїм атомом і легко може його залишити і стати вільним електроном провідності.

Атоми, що віддають «зайві» електрони в кристали напівпровідників називають донорами. Напівпровідники такого типу називають електронними або

напівпровідниками п-типу.

Якщо в кристалічній решітці Германію один із атомів замінити атомом трьохвалентного елемента, наприклад Індію

(Іп) (рис. 4), то для повного комплекту ковалентних зв’язків, необхідних для решітки Германію, не буде вистачати одного електрона. Утворюється вакансія,

яка може бути заповнена за рахунок захоплення електрона сусіднього атома

35