По технологии на тему: «Полупроводниковый диод»
МБОУ «ООШ №16»
г. Гусь-Хрустальный.
План - конспект урока
по технологии
на тему: «Полупроводниковый диод»
Учитель технологии
План-конспект урока
Тема урока: «Полупроводниковый диод»
Цели урока:
1. Обучающие:
1.1. Ознакомить учащихся:
С устройством полупроводникового диода;
С технологией изготовления полупроводникового диода;
С принципами работы полупроводникового диода;
С применением полупроводникового диода на практике, в быту, в производстве;
Со схемой выпрямления переменного тока.
2. Развивающие:
2.1. Способствовать развитию познавательного интереса к предмету.
2.2. Способствовать овладению основными способами мыслительной деятельности.
3. Воспитательные:
3.1. Способствовать формированию трудовых качеств личности.
Методическое оснащение урока.
1. Материально-техническая база:
Компьютерный класс;
Мультимедиа-проектор;
Набор полупроводниковых диодов;
Электрическая батарейка, лампочка, соединительные провода.
2. Дидактическое обеспечение:
- «Радиоэлектроника, автоматика и элементы ЭВМ», М., «Просвещение», 1990;
- «Методика трудового обучения», М., «Просвещение», 1997;
- «Школа и производство» № 1, 2005;
- «Практикум по радиотехнике», М., «Просвещение»,1996;
Тест «Полупроводниковый диод».
Ход урока
1. Организационный момент.
2. Повторение пройденного материала по теме «Полупроводники».
Чтобы проверить пройденный материал и подготовить учащихся к усвоению нового материала, целесообразно задать им следующие вопросы:
1. Какие элементы относятся к полупроводникам?
2. Как происходит собственная проводимость?
3. Как происходит примесная проводимость?
4. За счет чего появляются свободные электроны?
5. Где больше проводимость в металлах или в полупроводниках?
6. Какие полупроводники являются основными?
3. Изложение нового материала о полупроводниковом диоде и схеме выпрямления переменного тока.
Полупроводниковый диод – это устройство, которое пропускает электрический ток только в одном направлении.
Устройство диода: берут кристалл кремния, обладающий проводимостью n-типа. В одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие атомов индия вглубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область с проводимостью p-типа. Остальная часть образца германия, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа.
Между двумя областями с проводимостями разных типов возникает p-n-переход (демонстрация слайда № 1).
Получить p-n-переход не удается путем механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор. Толщина p-n-перехода должна быть не более межатомных расстояний. Для предотвращения вредных воздействий кристалл помещают в герметичный металлический корпус.
На электрических схемах полупроводниковый диод обозначается (демонстрация слайда № 2).
Современные полупроводниковые диоды имеют вид: (демонстрация слайда № 3).
(После этого учитель демонстрирует образцы полупроводниковых диодов).
Любой полупроводниковый диод характеризуется прямым максимальным током Iпр. маx. и обратным максимальным напряжением Uобр. max..Если ток через диод будет больше максимального тока, то p-n-переход выйдет из строя (расплавится). Если обратное напряжение будет больше максимального напряжения, которое может выдержать диод, то p-n-переход пробьется электрическим зарядом. В обоих случаях полупроводниковый диод выйдет из строя.
Подключение диода к постоянной электрической цепи.
Подключим полупроводниковый диод к источнику питания таким образом (демонстрация слайда № 4).
При таком подключении электрический ток через диод и нагрузку проходить не будет, так как нет носителей заряда через p-n-переход. Его сопротивление в этом случае будет очень большим. Говорят, что диод находится в запирающем состоянии.
Поменяем полярность источника питания. При таком подключении электрический ток проходит через диод и через нагрузку.
Говорят, что диод находится в открытом состоянии (демонстрация слайда № 5).
Схема выпрямления электрического тока.
Постоянный электрический ток можно получить при включении диода в цепь с переменным напряжением (демонстрация слайда № 6).
Рассмотрим на графике, как происходит выпрямление переменного тока (демонстрация слайда № 7).
Такое выпрямление переменного тока называется однополупериодным выпрямлением. Ток в этом случае называется пульсирующим.
Данное выпрямление переменного тока имеет широкое применение, например: если диод Д226Б включить по данной схеме, а вместо нагрузки взять лампочку мощностью 100 Вт, то такая лампочка будет гореть 7-10 лет. Схему называют схемой «вечной лампочки».
4. Закрепление нового учебного материала.
Учащиеся зарисовывают в тетрадях схему выпрямления (демонстрация слайда № 8). Далее учащимся предлагается на компьютерах в программе Elektronish Workbench составить такую схему как на слайде и получить на дисплее осциллографа выпрямленное напряжение. Чтобы сгладить пульсации выпрямленного тока к нагрузке Rn можно подключить параллельно конденсатор и рассмотреть полученное выпрямленное напряжение. Сравнить результаты.
(Учащимся может быть предложен тест «Полупроводниковый диод»).
5. Заключительная часть.
Учитель подводит итоги урока, называет главные вопросы, которые учащиеся должны хорошо знать:
Определение диода;
Устройство диода;
Подключение диода к постоянной электрической цепи;
Подключение диода к переменной электрической цепи;
Схему «вечной лампочки».
Учитель объявляет оценки за устные ответы и самостоятельную работу на компьютере.
Урок физики 11 класс
Тема урока:
«Полупроводники.
Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электрический ток в полупроводниках»
Цель урока
- Сформировать у учащихся понятие о природе электрического тока в полупроводниках, о способах измерения их свойств под действием температуры, освещённости, примесей.
- Способствовать расширению политехнического кругозора, мотивировать к изучению предмета, совершенствовать способность к восприятию и анализу технической, научной информации.
- Развитие коммуникативных компетенций учащихся, их умения работать в коллективе.
Материалы и оборудование:
Компьютер, проектор, электронные материалы по теме: «Полупроводники»; карточки – задания для самостоятельной работы в малых группах; набор полупроводниковых приборов НПП – 2; демонстрационный гальванометр; источник постоянного тока (4В); демонстрационный выключатель; электрическая лампа 60-100Вт на подставке; электрический паяльник; соединительные провода.
План проведения урока:
- Повторение изученного и актуализация темы урока.
- Объяснение материала темы.
- Самостоятельная работа учащихся в группах.
- Подведение итогов, задание на дом.
- Повторение изученного и актуализация темы урока (6мин).
Надо вспомнить:
- Что такое электрический ток?
- Что принимают за направление тока?
- Движением каких частиц образован электрический ток в металлических проводниках?
- Почему в диэлектриках не может возникать электрический ток?
- Как вы думаете: существует ли в природе вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение?
Да это полупроводники. Ещё чуть более полувека назад они не имели заметного практического значения. В электротехнике и радиотехнике обходились исключительно проводниками и диэлектриками. Но положение резко изменилось, когда теоретически, а затем и практически была открыта возможность управлять электрической проводимостью полупроводников.
В чём же главное отличие полупроводников от проводников и какие особенности их строения позволили широко использовать полупроводниковые приборы практически во всех электронных устройствах, позволив значительно повысить их надёжность, многократно сократить габариты, да и создать новые, о которых приходилось только мечтать: создать сотовые телефоны, миниатюрные компьютеры и т.д.?
- Объяснение материалов темы (15мин)
- Определение полупроводников
Большой класс веществ, удельное сопротивление которых больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков и с увеличением температуры очень резко уменьшается.
К ним относятся элементы таблицы Менделеева: германий, кремний, селен, теллур, индий, мышьяк, фосфор, бор, и т.д. некоторые соединения: сернистый свиней, сернистый кадмий, закись меди и т.д.
- Строение полупроводников.
- Атомная структура кристаллической решётки кремния (проекция на экране);
- Нарушение парноэлектронных связей под воздействием внешних факторов: повышение температуры, освещённости.
Демонстрации зависимости электропроводности полупроводников:
Rт 10к ФС – К1
- Электронная проводимость чистого полупроводника (проекция)
- Дырочная проводимость (проекция)
Есть необходимость подчеркнуть, что дырки не являются реальными частицами. В обоих видах проводимости полупроводников движутся только валентные электроны. Проводимость отличается друг от друга лишь механизмом движения электронов. Электронная проводимость обусловлена направлением движения свободных электронов, а дырочная вызвана движением связанных электронов, переходящих от атома к атому, поочерёдно замещая друг друга в связках, что эквивалентно движению дырок в противоположном направлении.
Таким образом, в полупроводниках два типа носителей – электроны и дырки, концентрации которых в чистых полупроводниках одинаковы – собственная проводимость, она невелика.
- Примесная проводимость (проекция)
Существенно зависит проводимость полупроводников от наличия в их кристаллах примесей:
- донорные примеси – пятивалентные элементы, легко отдающие электроны (As, P) обеспечивают количественное преимущество электронов над дырками, создающие проводимость n – типа;
- акцепторные примеси – трёхвалентные элементы (In, B), принимающие свободные электроны, образуя дырки. Создаётся проводимость p – типа.
Демонстрация примесей и проводимости n – типа и p – типа:
n – тип p – тип
Особый интерес представляет протекание тока не отдельно в полупроводниках n – типа или p – типа, а через контакт двух полупроводников с разными типами проводимости.
- Самостоятельная работа учащихся в группах (20мин)
Предлагается на добровольной основе сформировать группы из 4 учеников (это надо сделать до начала урока, чтобы избежать хаотичных перемещений по кабинету и потере времени).
Каждой группе выдаётся задание, которое надлежит выполнить. Оно содержит вопросы, качественные задачи разного уровня, рассчитанные как на письменные, так и устные ответы.
- Подведение итогов
Заслушиваем ответы представителей групп на основные вопросы данной темы, исправляем возможные ошибки. Собираем письменные отчёты. Оценки за работу выставляем после изучения второй части темы и выполнения заданий на повторение с учётом КТУ каждого учащегося в группе.
Задание на дом: § 113; §114 учебника.
План конспект урока трудового обучения.
Класс 9
Тема раздела:
Электротехника и основы электроники. (3 часа)
Тема урока №27: Полупроводниковые приборы.
Цель: Ознакомить с полупроводниковыми приборами.
Ход урока:
1. Организационная часть 3 мин.
а) Приветствие.
б) Выявление отсутствующих.
в) Повторение пройденного материала.
г) Объявление темы урока. Запись темы урока в тетрадях.
д) Доведение до учащихся целей и плана урока.
2.Повторение пройденного материала -7 мин.
Что относится к основным видам электромонтажных работ?
Что представляют собой проводниковые материалы?
Применение проводниковых материалов?
3.Изучение нового материала 10 мин.
Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов
К полупроводниковым приборам относятся :
-Интегральные схемы (микросхемы)
Полупроводниковые диоды (в том числе варикапы, стабилитроны, диоды Шоттки),
Тиристоры, фототиристоры,
Транзисторы,
Приборы с зарядовой связью,
Полупроводниковые СВЧ-приборы (диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды),
Оптоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, солнечные элементы, детекторы ядерных излучений, светодиоды, полупроводниковые лазеры, электролюминесцентные излучатели),
Терморезисторы, датчики Холла.
Основными материалами для производства полупроводниковых приборов являются кремний (Si), карбид кремния (SiС), соединения галлия и индия.
Электропроводность
полупроводников зависит от наличия примесей и внешних энергетических воздействий (температуры, излучения, давления и т.д.). Протекание тока обуславливают два типа носителей заряда – электроны и дырки. В зависимости от химического состава различают чистые и примесные полупроводники.
Полупроводники
4.Практическая работа 18 мин.
Один из способов такой проверки - измерение омметром сопротивления между выводами эмиттера и коллектора при соединении базы с коллектором и при соединении базы с эмиттером. При этом источник коллекторного питания отключается от схемы. При исправном транзисторе в первом случае омметр покажет малое сопротивление, во втором - порядка нескольких сотен тысяч или десятков тысяч ОМ.
Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.
Тестирование полупроводниковых диодов
При тестировании диодов с помощью АММ следует использовать нижние пре- делы измерений. При проверке исправного диода сопротивление в прямом направ лении составит несколько сотен Ом, в обратном направлении - бесконечно большое сопротивление. При неисправности диода АММ покажет в обоих направ лениях сопротивление близкое к 0 или разрыв при пробое диода. Сопротивление переходов в прямом и обратном направлениях для германиевых и кремниевых диодов различное.
5. Итог урока 2 мин.
6. Уборка рабочих мест 5 мин.
Тема урока: "Полупроводниковые приборы. Диоды"
Цель и задачи занятия:
Образовательные:
формирование первоначального понятия о назначении, действии и основном свойстве полупроводниковых диодов.
Воспитательные:
сформировать культуру умственного труда, развитие качеств личности - настойчивость, целеустремленность, творческую активность, самостоятельность.
Развивающие:
обучение применению свойства односторонней проводимости.
Материально техническое оснащение урока:
рабочие тетради, компьютер преподавателя, интерактивная доска, прзентация на тему
Ход занятия:
1. Организационный момент:
(Задача: создание благоприятного психологического настроя и активация внимания).
2. Подготовка к повторению и обобщению пройденного материала
Что такое электрический ток.
Сила тока, единицы измерения.
p – n переход.
Полупроводники.
Сообщение темы и цели занятия.
Полупроводники. Диоды.
Объяснение перспективы.
Чтобы изучить современную электронику, надо, прежде всего, знать принципы устройства и физические основы работы полупроводниковых приборов, их характеристики и параметры, а также важнейшие свойства, определяющие возможность их применения в электронной аппаратуре.
Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры и массу аппаратуры. Минимальная мощность для питания электронной лампы составляет 0,1 Вт, а для транзистора она может быть 1мкВт, т.е. в 100000 раз меньше.
3. Основной этап.
Новый материал
Все вещества, встречающиеся в природе, по своим электропроводным свойствам делятся на три группы:
Проводники,
изоляторы (диэлектрики),
полупроводники
К полупроводникам относится гораздо больше веществ, чем к проводникам и изоляторам. В изготовлении радиоприборов наибольшее распространение получили 4-х валентные германий Ge и кремний Si.
Электрический ток полупроводников обуславливается движением свободных электронов и так называемых "дырок".
Свободные электроны, покинувшие свои атомы, создают n- проводимость (n - первая буква латинского слова negativus - отрицательный). Дырки создают в полупроводнике р - проводимость (р - первая буква латинского слова positivus- положительный).
В чистом проводнике число свободных электронов и дырок одинаково.
Добавляя примеси, можно получить полупроводник с преобладанием электронной или дырочной проводимостью.
Важнейшее свойство р- и n- полупроводников - односторонняяя проводимость в месте спайки. Эта спайка называется p-n переходом.
В 4-х валентный кристалл германия (кремния) добавить 5-ти валентный мышьяк (сурьму) то получим n - проводник.
При добавлении 3-х валентного индия, получим р - проводник.
Когда "плюс" источника соединен с р- областью, говорят что переход включен в прямом направлении, а когда минус источника тока соединен с р- областью, переход включен в обратном направлении.
Одностороння проводимость р и n перехода является основой действия полупроводниковых диодов, транзисторов и др.
Имея представление о полупроводнике, теперь приступим к изучению диода.
Приставка "ди" - означает два, указывающая на две примыкающие зоны разной проводимости.
Вентиль велосипедной шины (нипель). Воздух через него может проходить лишь в одном направлении - внутрь камеры. Но существует и электрический вентиль. Это диод - полупроводниковая деталь с двумя проволочными выводами с обоих концов.
По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными или точечными.
Плоскостные диоды имеют большую площадь электронно- дырочного перехода и применяются в цепях, в которых протекают большие токи.
Точечные диоды отличаются малой площадью электронно-дырочного перехода и применяются в цепях с малыми токами.
Условно-графическое обозначение диода. Треугольник соответствует р- области и называется анодом, а прямолинейный отрезок, называется катодом, представляет n- область.
В зависимости от назначения диода его УГО может иметь дополнительные символы.
Основные параметры, по которым характеризуются диоды.
Прямой ток диода.
Обратный ток диода.
Закрепление материала.
Изменение полярности подключения источника питания в цепи, содержащей полупроводниковый диод.
Соединяем последовательно батарею 3336Л и лампочку накаливания МН3,5 – 0.28 (на напряжение 3.5В и ток накала 0.28А) и подключаем эту цепь к сплавному диоду из серии Д7 или Д226 так, чтобы на анод диода непосредственно или через лампочку подавалось положительное, а на катод – отрицательное напряжение батареи (рис 3, рис.4). Лампочка должна гореть полным накалом. Затем изменяем полярность подключения цепи “батарея – лампочка” на обратную (рис. 3, рис.4). Если диод исправный – лампочка не горит. В этом опыте лампочка накаливания выполняет двойную функцию: служит индикатором тока в цепи и ограничивает ток в этой цепи до 0.28А, тем самым защищая диод от перегрузки. Последовательно с батареей и лампочкой накаливания можно включить еще миллиамперметр на ток 300…500мА, который бы фиксировал прямой и обратный ток через диод.
4.Контрольный момент:
Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника постоянного тока, микродвигателя, 2-х диодов, так, чтобы с помощью выключателей изменять направление вращение ротора микродвигателя.
Определите полюса батареи для карманного фонаря с помощью полупроводникового диода.
Самостоятельно изучите проводимость диода на демонстрационном стенде. Изучение односторонней проводимости диода.
5.Итоговый момент:
оценка успешности в достижении задач занятия (как работали, что узнали или усвоили)
6. Рефлективный момент:
определение результативности и полезности занятия через самооценку воспитанников.
7. Информационный момент:
определение перспектив следующего занятия .
8. Домашнее задание
Для закрепления пройденного материала, подумайте над следующими задачами и приведите их решение:
Как с использованием полупроводникового диода защитить радиоаппаратуру от переполюсовки?
Имеется электрическая цепь, в которую входят четыре последовательно соединенных элемента – две лампочки а и б и два выключателя А и Б. При этом каждый выключатель зажигает только одну, только “свою” лампочку. Для того, чтобы зажечь обе лампочки, нужно одновременно замкнуть оба выключателя.
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.
