Зонная теория твердых тел

Уровни энергии атома водорода:

n = 1 - этому уровню отвечает одна круговая

орбита (1S – состояние).

n = 2 - этому уровню отвечает одна круговая орби­та /2S -состояние/ и три вытянутых /2Р - состояние/.

n = 3 - этому уровню отвечает одна круговая /3S -состояние/, три вытянутых (ЗР- состояние) и пять сильно вытянутых орбит /3d-сос­тояние/.

На каждой орбите могут быть размещены два электрона с противоположно ориентированными спинами. Поэтому на уровне с n = 1 может быть размещено 2 электрона, на уровне с n = 2 - 8 электронов, на n -ом уровне N = 2 n² электронов.

Размещение электронов в атоме лития и образование зон на примере объединения n = 5 атомов. Валентная зона заполнена напо­ловину, поэтому электроны могут иметь и большую кинетическую энергию, и могут переме­щаться в электрическом поле.

Размещение электронов в атоме углерода и образование зон в алмазе.

А как распределены электроны в атоме кремния? А зоны?

Только при температуре Т ~ 10⁴ К средняя кинетическая энергия атома кремния становится равной энергетической щели. При обычных темпера­турах только небольшая часть электронов имеет энергию, необходимую для преодоления энергетического барьера. С повышением температуры проводимость будет возрастать. Зависимость концентрации электронов и дырок в диэлектрике от температуры: n = А ехр – ( Е/2КТ). Например, для кремния А = 2·10¹⁹ см^-3, Е = 1,1 эВ.

а) При Т = 77 К, n = 1,7·10¹⁷см^-3 (в кубе кремния с ребром 4 км содержится одна электронно-дырочная пара), б) При Т = 300 К, n = 1,1·10¹⁰ см^-3.

Энергия ионизации (активации) для мышьяка, введенного в кремний Е = 0,05 эВ, как и для индия, введенного в кремний. Мелкие и глубокие примеси. Кванты видимого света имеют энергию порядка 1,5 - 3 эВ.

"... научный прогресс похож на гигантскую лестницу, каждая ступень которой соответствует одному из великих открытий, внезапно поднимающих человечество на более высокий уровень"

Дж. Сартон

Урок 53/35. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с особенностями электрического тока через контакт двух полупроводников с разными типами проводимости и практическими применениями этого явления.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: полупроводниковый диод, амперметр демонстрационный,

выпрямитель, осциллограф, соединительные провода.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Электрический ток в полупроводниках. 2. Проводимость полупроводников при наличии примесей.

Задачи:

1. Концентрация электронов проводимости в германии при комнатной температуре 3·10¹⁹ м^-3. Какую часть составляет число электронов проводимости от общего числа атомов? Плотность германия 5360 кг/м³, молярная масса 0,073 кг/моль.

2. В кристалл германия введена примесь фосфора в количестве 10^-4 % по массе. Как изменится электропроводность кристалла, и какого типа проводимость он приобретет? Считая, что все атомы фосфора в германии ионизированы, определите концентрацию носителей заряда, обусловленную введением фосфора. Атомная масса фосфора 0,031 кг/моль. Плотность германия 5360 кг/м³.

Вопросы:

1. Каковы могут быть причины резкого увеличения свободных носителей заряда в полупроводниках?

2. При нагревании одного из концов полупроводникового стержня, изготовленного

из германия с примесью индия, возникает разность потенциалов между нагретым и холодным концами. Почему? У какого стержня потенциал выше?

3. Дайте представление об электроне (его словесный портрет).

4. Почему глаз не реагирует на ультрафиолетовые лучи, хотя сетчатка чувствительна к ним?

III. Образование р - n -перехода при контакте двух полупроводников с разными типами проводимости. Приконтактная область обладает большим электрическим сопротивлением, так как концентрация свободных носителей заряда в ней очень мала. Почему? Механическая аналогия р - n-перехода. Контактная разность потенциа­лов (U_к) и высота потенциального барьера: А = е·U_K. Динамическое равновесие между потоками неосновных носителей заряда через р - n -переход, энергия которых превышает высоту потенциального барьера, и потоками основных носителей заряда.

Изменение высоты потенциального барьера внешним напряжением. Объясне­ние на основе механической аналогии особенностей протекания электри­ческого тока через р-n - переход. Обратный ток через р-n - переход.

Полупроводниковый диод; его устройство и принцип действия. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода. Основные характе­ристики диода: допустимое обратное напряжение, максимальный выпрям­ленный ток. Выпрямление переменного тока с помощью диода (демонстра­ция) (К. Браун, 1874 г.)

Маркировка диодов: 1-ая буква (Г – германиевый, К – кремневый, А – соединения галлия); 2-ая буква (Д – выпрямительный, С – стабилитрон, В – варикап); 3-ья цифра – значение прямого тока (1 – ток до 0,3 А, 2 – от 0,3 А до 10 А).

Преимущества полупроводниковых диодов: малые габариты, не потребляют энергию на накал катода.

Недостатки: обратный ток, ограниченный интервал напряжений и токов, разбросанность параметров.

Светодиод. На опыте выяснить, является ли светодиод - диодом и объяс­нить природу его свечения. Обозначение светодиода на электрических схемах:

Фотодиод (фотоэлемент); его обозначение на электрических схемах. На опыте выяснить, является ли фотодиод - диодом. Принцип действия фотодиода. Энергетическая диаграмма для электронов. Равновесие между потоками основных и неосновных носителей свободного заряда через р-n переход при данной освещенности.

Кремниевые фотодиоды (КПД 10 - 12%). Солнечные батареи. Фотоячейки.

Дополнительная информация: Энергия, получаемая Землей от Солнца за 40 минут равна всей энергии, вырабатываемой на планете за год. Опытные образцы фотоячеек дают КПД около 16%. Для хранения полученной энергии можно использовать не аккумуляторы (слишком дорого и неэффективно), а использовать полученный фототок для накачивания и сжатия воздуха в подземных хранилищах. Этот сильно сжатый воздух можно потом пропускать через турбины, которые будут генерировать электрическую энергию.

IV. Демонстрация кинофильма "Полупроводниковые диоды и стабилитроны",

V. §§ 73-74

1. В электрических цепях происходят флюктуации электронной плотности. Будет ли из-за этого заряжаться конденсатор в электрической цепи (Рис. 1)?

Рис. 1 Рис. 2

1. Схему на рисунке 2 называют "выпрямитель с удвоением напряжения". До какого напряжения заряжается каждый из конденсаторов?

"Всего лишь маленький шаг одного человека, Но какой огромный шаг всего человечества".

Неил Армстронг

Урок 54/36. ТРАНЗИСТОР. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников с устройством и принципом действия полупроводникового транзистора и его применениями в технике. Дать представление о конкретных практических применениях полупроводников.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: транзистор на колодке, амперметр демонстрационный - 2 шт., выпрямитель ВС-24, блок питания "Практикум", диафильм "Полу­проводники и их применение".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Полупроводниковый диод. 2. Светодиод и фотодиод.

Задачи:

1. Найти максимальное напряжение питания схемы с полупроводниковым диодом и резистором нагрузки 100 кОм, если обратный ток 150 мкА, а допустимое обратное напряжение на диоде не должно превы­шать 100 В?

2. На рисунке 1 приведена вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

Диод подключен последовательно с резистором сопротивлением 1 кОм к источнику тока с ЭДС 5 В, внутренним сопротив­лением которого можно пренебречь. Найти силу тока в цепи и напряжение на диоде.

_3. Во сколько раз изменится мощность, выделяемая в цепи на рисунке 2, при пере­мене полярности на клеммах. Считать напряжение на клеммах постоянным, диоды идеаль­ными, сопротивление резисторов R₁ = 10 Ом, R₂ = R₃ = 5 Ом.

4. Имеется полупроводниковый диод, в котором сила прямого тока свя­зана с приложенным напряжением соотношением I = 0,01·U² (I - в ампере U - в вольтах). Этот диод последовательно с резистором сопротивлением 100 0м подключен к батарее с ЭДС 15,75 В, внутренним сопротивлением которой можно пренебречь. Найдите тепловую мощность, выделяющуюся на нелинейном элементе.

Вопросы:

1. Почему обратный ток диода зависит от температуры?
2. Почему светодиод в фонаре экономичнее лампочки накаливания?
3. Каковы основные преимущества светодиода перед лампочкой накаливания?

III. Транзистор типа р – n - р. Изобретение транзистора (1947 – 1948 годы) повлекло за собой переход человечества на новую ступень – в постиндустриальное информационное общество. Образование р - n - переходов на границе областей с разными типами проводимости.

Объяснение принципа работы транзистора на основе механической модели. Какие потенциалы по отношению к эмиттеру необходимо подать на коллектор и базу транзистора для того, чтобы в цепи эмиттер-коллектор мог существовать электрический ток?

А если на базу транзистора подать положительный по отношению к эмиттеру потенциал? Демонстрация принципа работы транзистора (схема с общим эмиттером). Вывод: Изменяя потенциал базы по отношению к эмиттеру можно управлять током в цепи эмиттер-коллектор и даже прекращать его совсем (транзистор закрыт).