План-конспект учебного занятия (технологическая карта) на тему: «Электрический ток в полупроводниках»

Название среды

Носители электрического тока

Механизм образования свободных электрических зарядов

Вольт-амперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения)

Зависимость сопротивления от температуры

Применение

Металлы

Полупроводники

Растворы и расплавы электролитов

Этапы учебного занятия

Содержание учебного занятия

Деятельность преподавателя

Деятельность обучающихся

1. Организационный момент:

приветствие (2')

Приветствует группу и проводит перекличку. Проверяет готовность обучающихся к уроку.

Приветствуют преподавателя.

Прогнозируемый результат: Выявлены отсутствующие студенты, группа готова к работе

2. Актуализация знаний:

- фронтальный опрос по теме «Электрический ток в металлах»

(10')

Проводит опрос в форме аукциона с использованием карточек с ключевыми словами. Преподаватель показывает карточку с ключевыми словами (словом), а учащиеся высказываются в соответствии с заданной темой, не вдаваясь в подробности. Каждый правильный ответ – балл в копилку учащегося (карточка временно остаётся у него для подсчёта баллов в дальнейшем).

Мы начнем занятие с того что вспомним материал темы «Электрический ток в металлах»

Карточка. Электрический ток

Карточка. Постоянный электрический ток.

Карточка. Направление постоянного тока.

Карточка. Условия существования тока

Карточка. Группы веществ по электропроводимости.

Карточка. Проводники.

Карточка. Диэлектрики

Отвечают на поставленные вопросы.

Ответ. Электрическим током называется упорядоченное направленное движение свободных заряженных частиц.

Ответ. Электрический ток, не меняющийся ни по величине, ни по направлению называется постоянным током.

Ответ. За направление постоянного тока принято направление движения положительно заряженных частиц, т.е. от «+» к «-».

Ответ. Для существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и сил, которые приводили бы эти частицы в направленное движение. Например, силы электрического поля

Ответ. По электропроводимости вещества делятся на проводники и диэлектрики.

Ответ. Проводники – это вещества, хорошо проводящие ток.

Ответ. Диэлектрики – это вещества, не проводящие ток.

РЕЗУЛЬТАТ: Обобщение и систематизация материала по теме «Электрический ток в металлах».

- вводное слово преподавателя (3')

- мотивация (2')

Постановка целей занятия (5')

Для того чтобы определиться с темой и целями нашего занятия я предлагаю Вам:

Посмотрите внимательно на плакат на доске, что на нем изображено? (радиоустройства, телевизоры, компьютеры).

Часто ли вы используете все перечисленное в повседневной жизни?

До недавнего времени в электротехнике и радиотехнике применяли исключительно различные проводники и диэлектрики. Что не позволяло создать компактные, экономичные радиоустройства к которым мы привыкли сегодня. Положение существенно изменилось когда были открыты вещества, которые не на столько хорошо проводят электричество, чтобы их назвать проводниками, и не настолько плохо чтобы отнести их к диэлектрикам. Поэтому они получили название полупроводников.

В настоящее время все радиоустройства состоят из полупроводниковых элементов

И человечество интересует использование полупроводников т. е. возможность включения их в электрическую цепь и особенности протекания электрического тока через них.

Как вы думаете, какова тема нашего занятия? ….

Электрический ток в полупроводниках.

Зачем Вам как будущим специалистам знания в этой области?

Исходя из всего вышесказанного давайте сформулируем цель нашего занятия. Для этого продолжите предложения:

Изучить особенности строения____________________________________________________

Выявить отличия_____________________________________________________

Рассмотреть области применения__________________________________________________

(выявить отличия полупроводников от проводников, диэлектриков, рассмотреть какие особенности строения полупроводников открыли им доступ во все радиоустройства, телевизоры, компьютеры).

Разъясняет порядок работы, критерии оценки работы студентов на уроке; рейтинговые баллы (Приложение 1).

Рассматривают плакат, слушают рассказ преподавателя и пытаются самостоятельно сформулировать тему занятия.

Обосновывают важность данной темы в системе профессиональных знаний

Участвуют в формулировке целей и задач

РЕЗУЛЬТАТ: Выполнено формулирование темы занятия, мотивация, поставлены цели занятия, группа уяснила свои задачи и критерии оценки учебных достижений.

3. Обучающий этап:

(10')

1. Понятие полупроводника

2.Свойства полупроводников

3. Строение полупроводников и механизм проводимости

Объясняет особенности.

Полупроводники — вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению. Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, а так же всевозможные сплавы и химические соединения н-р окись меди). Почти все вещества окружающего нас мира являются полупроводниками. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий по приблизительным подсчетам почти 30 % земной коры. Для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только кремний и германий. (найдите их в таблице Д. И. Менделеева — Приложение 2). Какую валентность они имеют (в таблице Д. И. Менделеева найдите номер столбца в котором они находятся)?

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока. Запишите в тетрадь определение что такое полупроводник.

Рассмотрим следующие три опыта (демонстрация или плакаты)

Первый опыт: Нагревание полупроводника

Посмотрите, что происходит при увеличении температуры? Сопротивление будет уменьшаться при увеличении температуры?

Какой вывод можно сделать?

Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается. На основе этого были созданы термоэлектрические приборы.

Термисторы. В полупроводниках электрическое сопротивление очень сильно зависит от температуры. Это свойство используют для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником. Такие приборы называют термисторами или терморезисторами.

Термисторы — одни из самых простых полупроводниковых приборов. Выпускают термисторы в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок размером от нескольких микрометров до нескольких сантиметров.

Диапазон измеряемых температур большинства термисторов лежит в интервале от 170 до 570 К. Но существуют термисторы для измерения как очень высоких (примерно 1300 К), так и очень низких (примерно 4 — 80 К) температур. Термисторы применяются для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации и т. д.

Второй опыт: Освещение светом полупроводника

Посмотрите, что происходит при увеличении освещенности?

Какой вывод можно сделать?

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи.

Фоторезисторы. Электрическая проводимость полупроводников овышается не только при нагревании, но и при освещении.

Можно заметить, что при освещении полупроводника сила тока в цепи заметно возрастает. Это указывает на увеличение проводимости (уменьшение сопротивления) полупроводников под действием света. Данный эффект не связан с нагреванием, так как может наблюдаться и при неизменной температуре.

Электрическая проводимость возрастает вследствие разрыва связей и образования свободных электронов и дырок за счет энергии света, падающего на полупроводник. Это явление называют фотоэлектрическим эффектом.

Приборы, в которых используют фотоэлектрический эффект в полупроводниках, называют фоторезисторами или фотосопротивлениями. Миниатюрность и высокая чувствительность фоторезисторов позволяют использовать их в самых различных областях науки и техники для регистрации и измерения слабых световых потоков. С помощью фоторезисторов определяют качество поверхностей, контролируют размеры изделий и т. д.

Третий опыт: Добавление примеси в полупроводник

Посмотрите, что происходит?

Какой вывод можно сделать?

При введении в полупроводник примесей определенных веществ их электропроводность резко увеличивается.

Запишем в тетрадь свойства полупроводников

Электропроводность повышается при повышении температуры (терморезистор)

Электропроводность повышается при освещении (фоторезистор, солнечные батареи)

Электропроводность повышается при введении в полупроводник некоторых примесей. (полупроволниковый диод)

Свойства полупроводников зависят от их внутреннего строения. Рассмотрим кремний — четырехвадентный элемент (показать трехмерную модель) т. е. во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем.

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону. Атомы расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Зарисуем получившуюся картинку в тетрадь.(рисунок на доске) Студенты выполняют такой же рисунок в тетради. Добавим больше соседних атомов.

При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны становятся свободными и перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют, электронной проводимостью. При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном — дырка.

При низких температурах связи не разрываются, поэтому кремний при низких температурах не проводит электрический ток.

Проводимость чистых полупроводников, без примесей (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парноэлектронных связей (дырочная проводимость). Проводимость полупроводников чрезвычайно сильно зависит от примесей. Именно эта зависимость сделала полупроводники тем, чем они стали в современной технике. Различают донорные и акцепторные примеси. При наличии донорной примеси в полупроводнике, если в кремний добавить мышьяк, наблюдается избыток электронов, полупроводник называется n-типа, при наличии акцепторных примесей, если в кремний добавить индий, наблюдается избыток дырок, полупроводник называется р-типа.

Участвуют в объяснении, фиксируют выводы в тетрадях, отвечают на вопросы преподавателя, уточняют полученную информацию.

РЕЗУЛЬТАТ: Получена теоретическая основа для выполнения задания

Инструктаж преподавателя:

- Задание на самостоятельную работу (3')

Выдаёт задание на самостоятельную работу и комментирует его этапы:

«Работа по дидактическим карточкам» (Приложение 2, Приложение 3)

Карточки, должны быть выданы учащимся. Они содержат вопросы и задания различных уровней сложности. Преподаватель не принимает никакого участия в процессе выбора задания учащимся. Роль преподавателя при работе с карточками сводится к минимуму. Он становится наблюдателем и, в нужный момент, помощником.

При выборе задания необходимо пройти три этапа:

1 этап – выбор задания (по содержанию)

2 этап – по степени сложности ( * - легкое, ** - сложное)

3 этап – характер задания (творческое, репродуктивное)

Осмысливают этапы задания и уточняют свои действия (при необходимости)

РЕЗУЛЬТАТ: Детализированы объёмы, этапы и формы предстоящей работы

4. Выполнение задания (10')

I. Организует выполнение практического задания.

II. Контролирует работу, оказывает методическую помощь (при необходимости);

выдаёт индивидуальное (бонусное) задание студентам, справившимся с работой раньше всех.

III. Наблюдает за ходом работы, при необходимости консультирует.

I. Учащиеся выбирают задания.

II. Выполняют индивидуальное задание;

сигнализируют преподавателю о выполнении своей части задания или о затруднениях.

III. Самостоятельно выставляют себе баллы за каждый этап по предложенной разбаловке.

РЕЗУЛЬТАТ: Выполнено первичное закрепление полученных знаний

Вторые 45 минут

5. Анализ и оценка выполненных работ (5')

Выполняет анализ работы студентов.

Проверка заданий на карточках (устные ответы студентов).

После выполнения всех этапов проверяют выполненные задания

Осуществляют итоговую рефлексию.

РЕЗУЛЬТАТ: Произведено оценивание учебных достижений студентов и их взаимодействия в коллективе

4. p-n переход и диод

Рассмотрим теперь что произойдет, если соединить полупроводник р-типа и полупроводник n-типа. Как вы считаете куда будет направлено движение электронов? Куда будет направлено движение дырок?

В месте контакта двух типов полупроводников возникнет так называемый запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшему движению дырок и электронов. (зарисовать p-n переход)

На основе свойств p-n перехода основано действие полупроводникового диода. Диод (от греческого «двухэлектродный») - электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электроды диода носят название анод и катод. Обозначается полупроводниковый диод на электрических схемах:

Направление стрелки показывает направление тока через диод.

Диод имеет два режима работы: прямой и обратный. При прямом режиме диод пропускает ток, при обратном не пропускает (продемонстрировать).

а) При прямом включении существует ток основных носителей заряда.

б) При обратном включении направление внешнего поля источника совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый ток неосновных носителей заряда.

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость силы тока от разности потенциалов - вольт-амперная характеристика прямого перехода - изображена на рисунке сплошной линией.

Вольт-амперная характеристика обратного перехода изображена на рисунке пунктирной линией.

Применение диода

В настоящее время диод используется для выпрямления электрического тока в радиосхемах. Преимуществами полупроводниковых приборов является: экономия энергии и их компактность. Отмеченные преимущества полупроводниковых элементов особенно существенны при использовании их в искусственных спутниках Земли, космических кораблях, электронно-вычислительных компьютерах.

Участвуют в объяснении, фиксируют выводы в тетрадях, отвечают на вопросы преподавателя, уточняют полученную информацию.

Самостоятельное творческое использование сформированных знаний (8')

Задачи о прохождении тока через полупроводниковый диод в электрической цепи.

Выполняют задачи на доске и на местах.

Обобщение усвоенного и включение его в систему ранее усвоенных ЗУН и компетенций (8')

«Тест» (Приложение 4)

Учащиеся получают задание выбрать из предложенных вариантов правильный ответ.

Проходят тестирование

Выполняют самопроверку заданий.

6. Подведение итогов урока (8')

Анализ достижения поставленных на уроке целей

Рефлексия

Выставление оценок

Домашнее задание

Выступает с заключительным словом, в котором проводит анализ достижения цели, выполнения учебных задач.

Что такое полупроводники?

Какими свойствами обладают проводники?

Чем отличаются полупроводники от проводников?

Какие существуют полупроводниковые приборы?

Что дало вам это занятие для жизни?

Пригодятся ли полученные знания при дальнейшем обучении? На каких дисциплинах?

Пригодятся ли полученные знания в профессиональной деятельности?

Выставляет отметки, комментирует их. Объявление баллов — за карточки 2 балла, за выполнение теста 2 балла

Выдает домашнее задание: заполнить сравнительную таблицу «Электрический ток в различных средах». Пар. 71,72, 73, 74 (ответить на вопросы к параграфам) Физика Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев

(Приложение 5)

Участвуют в обсуждении и подведении итогов.

Осуществляют итоговую рефлексию.

Записывают и уточняют (при необходимости) домашнее задание

№

Ф.И.О. студента

Актуализация знаний

Практическая работа

Итоговая оценка

Беседа

Диктант

Индивид. задание

Работа в группе

Бонусное задание

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

Основной вопрос

Ответ

1. Собственная проводимость полупроводников…

а) Тем больше, чем меньше температура.

2. Сопротивление полупроводников…

б) Полупроводники n-типа

3. Донорная примесь позволяет получать…

в) Электронно-дырочная.

4. Акцепторная примесь позволяет получать…

г) Полупроводники р-типа

5. Электрический ток в полупроводниках - это…

д) Направленное движение электронов и дырок

Задача №1

Задача №2

В четырехвалентный кремний добавили первый раз трехвалентный индий, а во второй раз трехвалентный индий, а во второй раз пятивалентный фосфор, каким типом проводимости в основном будет обладать полупроводник в каждом случае? Ответ обоснуйте.

Доказать рассуждением, что соединение InAs (арсенид индия) в котором количества (в молях) индия и мышьяка одинаковы, обладает проводимостью типа собственной проводимости элементов четвертой группы (Ge, Si). Какого типа будет проводимость при увеличении концентрации индия? мышьяка? Ответы обоснуйте.

Задание №1

Задание №2

- Почему сопротивление полупроводников сильно зависит от наличия примесей?

- Какую примесь надо ввести, чтобы получить полупроводник n-типа?

Изобразить связи между атомом мышьяка и соседними атомами кремния. Кремний 4-х валентен, а мышьяк 5-ти валентен. Свободным останется один электрон.

а) вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

б) вольт-амперная характеристика вакуумного диода

в) вольт-амперная характеристика газового разряда

г) зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах

1)

2)

Название среды

Носители электрического тока

Механизм образования свободных электрических зарядов

Вольт-амперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения)

Зависимость сопротивления от температуры

Применение

Металлы

Полупроводники

Растворы и расплавы электролитов