Собственная проводимость полупроводников

Общие положения

 

Лекции по разделу 2 «Электроника» дисциплины ОП.03 «Электротехника и электроника»предназначены для студентов специальности 23.02.07 «Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобилей». Данное учебное пособие может быть использовано и по дисциплине «Электротехника и электроника» при обучении студентов электротехнических специальностей других профессиональных образовательных организаций, реализующих программы подготовки специалистов среднего звена.

Основная цель лекций - формирование у студентов знаний, необходимых для формирования профессиональных и общих компетенций. В ходе реализации этой цели развиваются познавательная активность, аналитическое мышление, самодисциплина и самоконтроль студентов, развивается интерес к дисциплине и профессии.

Лекции по разделу 2 «Электроника» дисциплины ОП.03 «Электротехника и электроника» включают теоретические сведения по всем темам, предусмотренным ФГОС СПО по специальности 23.02.07 «Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобилей» и соответствует рабочей программе дисциплины.

Применение учебного пособия дает возможность самостоятельного изучения теоретического материала, что позволит использовать его при формировании практических знаний и умений в соответствии с требованиями ФГОС СПО:

обучающиеся должны уметь:

У1-пользоваться электроизмерительными приборами

У2-производить проверку электронных и электрических элементов автомобиля

У3-производить подбор элементов электрических цепей и электронных схем

обучающиеся должны знать:

З1-методы расчета и измерения основных параметров электрических, магнитных и электронных цепей

З2-компоненты автомобильных электронных устройств

З3-методы электрических измерений

З4-устройство и принцип действия электрических машин

В соответствии с рабочей программе дисциплины на изучение теоретического материала выделено 60 часов, из которых 20 часов приходится на изучение теоретического материала раздела 2 «Электроника».  Для каждой лекции разработаны вопросы, а где необходимо и задачи, которые помогают осмыслить изученный материал, а также создает возможность самопроверки уровня знаний.

Такой комплексный подход повышает эффективность самостоятельной работы, способствует формированию общих и профессиональных компетенций, предусмотренных ФГОС СПО:

Код компетенции	Наименование компетенции
ОК 01	Выбирать способы решения задач профессиональной деятельности, применительно к различным контекстам
ОК 02	Осуществлять поиск, анализ и интерпретацию информации, необходимой для выполнения задач профессиональной деятельности
ОК 03	Планировать и реализовывать собственное профессиональное и личностное развитие.
ОК 04	Работать в коллективе и команде, эффективно взаимодействовать с коллегами, руководством, клиентами.
ОК 05	Осуществлять устную и письменную коммуникацию на государственном языке с учетом особенностей социального и культурного контекста.
ОК 06	Проявлять гражданско-патриотическую позицию, демонстрировать осознанное поведение на основе традиционных общечеловеческих ценностей.
ОК 07	Содействовать сохранению окружающей среды, ресурсосбережению, эффективно действовать в чрезвычайных ситуациях.
ОК 09	Использовать информационные технологии в профессиональной деятельности
ОК 10	Пользоваться профессиональной документацией на государственном и иностранном языках.
ПК 1.1	Осуществлять диагностику систем, узлов и механизмов автомобильных двигателей
ПК 2.1	Осуществлять диагностику электрооборудования и электронных систем автомобилей
ПК 2.2	Осуществлять техническое обслуживание электрооборудования и электронных систем автомобилей согласно технологической документации
ПК 2.3	Проводить ремонт электрооборудования и электронных систем автомобилей в соответствии с технологической документацией

 

 

Тема1 Физические основы электроники

План

1. Собственная проводимость полупроводников

2. Примесная проводимость полупроводников

3. Электронно-дырочный переход

4. Прямое и обратное включение p-n-перехода

5. Электрический пробой

Собственная проводимость полупроводников

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

Такой ход зависимости ρ=f(T) показывает (рис.1), что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры.

Рисунок 1 – График зависимости удельного сопротивления чистого полупроводника от температуры

 

Механизм электрического тока в полупроводниках рассмотрим на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Рисунок 2 – Механизм возникновения электрического тока в полупроводниках

Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар.

В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией. Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного I_n и дырочного I_p токов:

I = In + Ip.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n_n = n_p. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.