Sektsioonid: Füüsika, Konkurss "Esitlus tunni jaoks"

Tunni esitlus

Tagasi ette

Tähelepanu! Slaidide eelvaated on ainult informatiivsel eesmärgil ja ei pruugi esindada kõiki esitluse funktsioone. Kui olete sellest tööst huvitatud, laadige alla täisversioon.

Tund 10. klassis.

Teema: R- Ja n- tüübid. Pooljuhtdiood. Transistorid."

Eesmärgid:

• hariv: kujundada elektroonikateooria seisukohalt ettekujutus vabadest elektrilaengukandjatest pooljuhtides lisandite juuresolekul ja nendele teadmistele tuginedes välja selgitada p-n-siirde füüsikaline olemus; õpetada õpilasi selgitama pooljuhtseadiste tööd, tuginedes teadmistele pn-siirde füüsikalisest olemusest;
• arenev: arendada õpilaste füüsilist mõtlemist, oskust iseseisvalt sõnastada järeldusi, laiendada kognitiivset huvi, tunnetuslikku tegevust;
• hariv: jätkata koolinoorte teadusliku maailmapildi kujundamist.

Varustus: esitlus teemal:"Pooljuhid. Elektrivool läbi pooljuhtkontakti R- Ja n- tüübid. Pooljuhtdiood. Transistor", multimeediaprojektor.

Tundide ajal

I. Organisatsioonimoment.

II. Uue materjali õppimine.

Slaid 1.

Slaid 2. Pooljuht – aine, mille eritakistus võib varieeruda laias vahemikus ja väheneb temperatuuri tõustes väga kiiresti, mis tähendab, et elektrijuhtivus (1/R) suureneb.

Seda täheldatakse ränis, germaaniumis, seleenis ja mõnedes ühendites.

Slaid 3.

Juhtimismehhanism pooljuhtides

Slaid 4.

Pooljuhtkristallidel on aatomkristallvõre, kus välimine Slaid 5. elektronid on naaberaatomitega seotud kovalentsete sidemetega.

Madalatel temperatuuridel pole puhastel pooljuhtidel vabu elektrone ja nad käituvad nagu isolaatorid.

Pooljuhid on puhtad (ilma lisanditeta)

Kui pooljuht on puhas (ilma lisanditeta), siis on sellel oma juhtivus, mis on madal.

Sisejuhtivust on kahte tüüpi:

Slaid 6. 1) elektrooniline ("n" tüüpi juhtivus)

Madalatel temperatuuridel pooljuhtides on kõik elektronid seotud tuumadega ja takistus on suur; Temperatuuri tõustes suureneb osakeste kineetiline energia, sidemed lagunevad ja tekivad vabad elektronid – takistus väheneb.

Vabad elektronid liiguvad vastupidiselt elektrivälja tugevusvektorile.

Pooljuhtide elektrooniline juhtivus on tingitud vabade elektronide olemasolust.

Slaid 7.

2) auk (juhtivus "p" tüüpi)

Temperatuuri tõustes hävivad valentselektronide poolt läbiviidavad kovalentsed sidemed aatomite vahel ja tekivad puuduva elektroniga kohad – “auk”.

See võib liikuda läbi kogu kristalli, sest selle koha saab asendada valentselektronidega. "Auku" liigutamine võrdub positiivse laengu liigutamisega.

Auk liigub elektrivälja tugevuse vektori suunas.

Lisaks kuumutamisele võib kovalentsete sidemete katkemist ja pooljuhtide sisejuhtivuse tekkimist põhjustada valgustus (fotojuhtivus) ja tugevate elektriväljade toime. Seetõttu on pooljuhtidel ka aukjuhtivus.

Puhta pooljuhi kogujuhtivus on "p" ja "n" tüüpi juhtivuste summa ja seda nimetatakse elektron-augu juhtivuseks.

Lisanditega pooljuhid

Sellistel pooljuhtidel on oma + lisandite juhtivus.

Lisandite olemasolu suurendab oluliselt juhtivust.

Kui lisandite kontsentratsioon muutub, muutub elektrivoolu kandjate - elektronide ja aukude - arv.

Pooljuhtide laialdase kasutamise aluseks on voolu juhtimise võime.

Olemas:

Slaid 8. 1) doonorlisandid (annetamine)– on pooljuhtkristallide täiendavad elektronide tarnijad, loobuvad kergesti elektronidest ja suurendavad vabade elektronide arvu pooljuhis.

Slaid 9. Need on dirigendid "n" – tüüp, st. doonorlisanditega pooljuhid, kus peamiseks laengukandjaks on elektronid ja vähemuslaengukandjaks augud.

Sellisel pooljuhil on elektrooniline lisandite juhtivus. Näiteks arseen.

Slaid 10. 2) Aktseptori lisandid (vastuvõtt)– luua “auke”, võttes elektrone endasse.

Need on pooljuhid "p" - tüüp, st. aktseptorlisanditega pooljuhid, kus peamiseks laengukandjaks on augud ja vähemuslaengukandjaks elektronid.

Sellisel pooljuhil on augu lisandite juhtivus. Slaid 11. Näiteks indium. Slaid 12.

Mõelgem, millised füüsikalised protsessid toimuvad kahe erinevat tüüpi juhtivusega pooljuhi kokkupuutel või, nagu öeldakse, pn-siirdes.

Slaid 13-16.

P-n-siirde elektrilised omadused

"p-n" üleminek (või elektron-augu ristmik) on kahe pooljuhi kokkupuuteala, kus juhtivus muutub elektroonilisest auku (või vastupidi).

Selliseid piirkondi saab pooljuhtkristallides luua lisandite sisseviimisega. Kahe erineva juhtivusega pooljuhi kontakttsoonis toimub vastastikune difusioon. elektronid ja augud ning moodustub blokeeriv elektrikiht. Blokeeriva kihi elektriväli takistab elektronide ja aukude edasist läbimist üle piiri. Blokeeriv kiht on võrreldes teiste pooljuhi piirkondadega suurenenud takistusega.

Väline elektriväli mõjutab tõkkekihi takistust.

Välise elektrivälja edasi- (läbi)suunas läbib elektrivool kahe pooljuhi piiri.

Sest elektronid ja augud liiguvad üksteise poole liidese suunas, siis elektronid, ületades piiri, täidavad augud. Tõkkekihi paksus ja selle takistus vähenevad pidevalt.

Pass p-n režiimüleminek:

Kui väline elektriväli on blokeerivas (tagurpidises) suunas, ei läbi kahe pooljuhi kontaktala elektrivool.

Sest Kui elektronid ja augud liiguvad piirilt vastassuundades, siis blokeeriv kiht pakseneb ja selle takistus suureneb.

Lukustusrežiim р-n ristmik :

Seega on elektron-augu üleminekul ühesuunaline juhtivus.

Pooljuhtdioodid

Ühe p-n-siirdega pooljuhti nimetatakse pooljuhtdioodiks.

- Poisid, kirjutage see üles uus teema: "Pooljuhtdiood."
"Mis idioot seal on?" küsis Vasetškin naeratades.
- Mitte idioot, vaid diood! – õpetaja vastas: "Diood, mis tähendab, et sellel on kaks elektroodi, anood ja katood." Kas sa saad aru?
"Ja Dostojevskil on selline teos - "Idioot," rõhutas Vasetškin.
- Jah, on, mis siis? Sa käid füüsikatunnis, mitte kirjanduses! Palun ära aja enam dioodi idioodiga segi!

Slaid 17–21.

Ühesuunalise elektrivälja rakendamisel on pooljuhi takistus suur, vastassuunas on takistus väike.

Pooljuhtdioodid on vahelduvvoolu alaldi peamised elemendid.

Slaid 22–25.

Transistorid nimetatakse pooljuhtseadmeteks, mis on ette nähtud elektriliste võnkumiste võimendamiseks, genereerimiseks ja muundamiseks.

Pooljuhttransistorid - kasutatakse ka "p-n" ristmike omadusi - transistore kasutatakse raadioelektrooniliste seadmete skeemis.

Transistorideks nimetatavate pooljuhtseadmete suur perekond hõlmab kahte tüüpi: bipolaarset ja väljaefekti. Esimest neist nimetatakse sageli tavalisteks transistorideks, et neid teisest kuidagi eristada. Bipolaarsed transistorid on kõige laialdasemalt kasutatavad. Tõenäoliselt alustame neist. Mõiste "transistor" moodustatakse kahest Ingliskeelsed sõnad: ülekanne – muundur ja takisti – takistus. Lihtsustatud kujul on bipolaarne transistor pooljuhtplaat, millel on kolm (nagu kihilises koogis) erineva elektrijuhtivusega vahelduvaid piirkondi (joonis 1), mis moodustavad kaks p–n-siirdeid. Kahes äärmises piirkonnas on ühte tüüpi elektrijuhtivus, keskmises on elektrijuhtivus teist tüüpi. Igal alal on oma kontakttihvt. Kui välimistes piirkondades on ülekaalus augu elektrijuhtivus ja keskel elektrooniline juhtivus (joon. 1, a), siis nimetatakse sellist seadet p – n – p struktuuri transistoriks. Struktuuriga n – p – n transistoril on seevastu mööda servi elektroonilise juhtivusega piirkonnad ja nende vahel on aukjuhtivusega piirkond (joonis 1, b).

Kui alusele rakendatakse seda tüüpi transistor n-p-n positiivne pinge see avaneb, st emitteri ja kollektori vaheline takistus väheneb ja negatiivse pinge rakendamisel see vastupidi sulgub ja mida tugevam on vool, seda rohkem see avaneb või sulgub. Transistoride jaoks p-n-p struktuurid see on vastupidi.

Bipolaarse transistori alus (joonis 1) on väike elektrooniline või auklik elektrijuhtivus, see tähendab n- või p-tüüpi, germaaniumi või räni plaat. Lisandielementide pallid on sulatatud plaadi mõlema külje pinnale. Kuumutamisel rangelt määratletud temperatuurini toimub lisandite elementide difusioon (läbitungimine) pooljuhtvahvli paksusesse. Selle tulemusena ilmuvad plaadi paksusesse kaks piirkonda, mis on elektrijuhtivuse osas vastupidised. P-tüüpi germaanium- või räniplaat ja selles tekkivad n-tüüpi piirkonnad moodustavad n-p-n-struktuuriga transistori (joon. 1, a) ning n-tüüpi plaat ja sellesse loodud p-tüüpi piirkonnad moodustavad transistori. p-n-p struktuurist (joon. 1, b).

Sõltumata transistori ehitusest nimetatakse selle algse pooljuhi plaati baasiks (B), sellele elektrijuhtivuse poolest väiksema ruumalaga piirkonda nimetatakse emitteriks (E) ja teiseks sarnaseks suurema ruumalaga piirkonnaks. koguja (K). Need kolm elektroodi moodustavad kaks p-n ristmik: aluse ja kollektori vahel - kollektor ning aluse ja emitteri vahel - emitter. Igaüks neist on oma elektriliste omaduste poolest sarnane pooljuhtdioodide p-n-siirtele ja avaneb nende üle samadel päripingel.

Erineva struktuuriga transistoride tavapärased graafilised tähised erinevad ainult selle poolest, et nool, mis sümboliseerib emitterit ja voolu suunda läbi emitteri ristmiku, on p-n-p struktuuriga transistori puhul suunatud aluse poole ja npn transistor- alusest.

Slaid 26–29.

III. Esmane konsolideerimine.

1. Milliseid aineid nimetatakse pooljuhtideks?
2. Millist juhtivust nimetatakse elektrooniliseks?
3. Millist juhtivust veel pooljuhtides täheldatakse?
4. Millistest lisanditest te nüüd teate?
5. Mis on p-n-ristmiku läbilaskevõime?
6. Mis on p-n-siirde blokeerimisrežiim?
7. Milliseid pooljuhtseadmeid teate?
8. Kus ja milleks pooljuhtseadmeid kasutatakse?

IV. Õpitu kinnistamine

1. Kuidas muutub pooljuhtide eritakistus kuumutamisel? Valgustuse all?
2. Kas räni on ülijuhtiv, kui see jahutatakse absoluutse nulli lähedase temperatuurini? (ei, räni takistus suureneb temperatuuri langedes).

zeneri diood
7

Zener-dioodil põhinev pingestabilisaator ja zeneri dioodide 1-KS133A, 2-KS156A, 3-KS182Zh, 4-KS212Zh voolu-pinge karakteristikud

DIOODIDE KASUTAMINE

ALALDI SKEEMID

Poollaine alaldi töö

ALALDI SKEEMID

Ühefaasiline täislaine alaldi keskpunktiga

Täislaine alaldi töö

ALALDI SKEEMID

Ühefaasiline sildalaldi

Täislaine sildalaldi töö

ALALDI SKEEMID

ALALDI SKEEMID

Kolmefaasiline silla juhtimisahel

VÕRGU FILTRID

Mahtuvuslik (C – filter)

Mahtuvuslik (C – filter)

Mahtuvuslik (C – filter)

Induktiivne (L – filter)

Induktiivne (L – filter)

Bipolaarse transistori struktuur

Ühise alusega skeem

Ühise emitteri (CE) ahel

Ahel ühise kollektoriga (OK)

Ahel OE(a), selle voolu-pinge karakteristikud ja vooluring OK(b)

Transistoride karakteristikud ja samaväärsed ahelad

Ühine emitteri ahel

Ostsillogrammid OE-ga võimendi sisendis ja väljundis

Ühine emitteri ahel

Türistorid

Türistori omadused

Türistori omadused

Türistorite kasutamine

Dinistori struktuur, tähistus ja voolu-pinge omadused.

Türistori struktuur

Türistori tähistus

Türistori sisselülitamise tingimused

Väljatransistorid (unipolaarsed).

Isoleeritud värava väljatransistor

TAGASISIDE Koostanud Stepanov K.S.

TAGASISIDE

TAGASISIDE OS-i plokkskeem

Jadavoolu tagasiside

Jadavoolu tagasiside

Jadavoolu tagasiside

Jadavoolu tagasiside

Jadavoolu tagasiside

Jadavoolu tagasiside

Jadapinge tagasiside

Paralleelvoolu tagasiside

Paralleelpinge tagasiside

LOOGILISED ELEMENDID Koostanud Stepanov K.S.

LOOGIKAELEMENDID

LOOGIKAELEMENDID

LOOGIKAELEMENDID

LOOGIKAELEMENDID

LOOGIKAELEMENDID

LOOGIKAELEMENDID

Lisamoodul 2 (2XOR, ebavõrdne). Samaväärsuse ümberpööramine.

Mnemooniline reegel

Pooljuhtdiood on mittelineaarne elektrooniline seade kahe väljundiga. Sõltuvalt dioodi sisemiste elementide sisestruktuurist, tüübist, kogusest ja dopingu tasemest ning voolu-pinge omadustest on pooljuhtdioodide omadused erinevad.

Alaldi diood sisse lülitatud p-n aluselüleminek Alaldi dioodi aluseks on tavaline elektron-augu ristmik, sellise dioodi voolu-pinge karakteristikul on väljendunud mittelineaarsus. Pärisuunalise nihke korral on dioodi vool sissepritse, suur ja esindab põhikandevoolu difusioonikomponenti. Pöördpingestamise korral on dioodivool väikese suurusega ja esindab vähemuskandevoolu triivikomponenti. Tasakaaluseisundis on elektronide ja aukude difusiooni- ja triivvooludest tulenev koguvool null. Riis. Pooljuhtdioodi parameetrid: a) voolu-pinge karakteristikud; b) voolu-pinge karakteristiku korpuse konstruktsiooni kirjeldab võrrand

Alaldamine dioodis Üks p-n-siirtel põhineva pooljuhtdioodi põhiomadusi on voolu-pinge karakteristiku terav asümmeetria: kõrge juhtivus päripingega ja madal pöördpingega. Seda dioodi omadust kasutatakse alaldi dioodides. Joonisel on diagramm, mis illustreerib vahelduvvoolu alaldamist dioodis. - Ideaalse dioodi alalduskoefitsient, mis põhineb p-n-siirtel.

Iseloomulik takistus Dioodide iseloomulikke takistusi on kahte tüüpi: diferentsiaaltakistus rD ja alalisvoolutakistus RD. Diferentsiaaltakistus on defineeritud kui alalisvoolu takistus Voolu-pinge karakteristiku pärisuunalises osas on alalisvoolu takistus suurem kui diferentsiaaltakistus RD > rD ja vastupidises osas on see väiksem kui RD rD ja vastupidises osas on see vähem kui RD

Zeneri dioodid Zeneri diood on pooljuhtdiood, mille volt-amprikarakteristikul on volt-ampri karakteristiku pöördlõikes voolu järsu sõltuvuse piirkond pingest. Zener-dioodi voolu-pinge karakteristikul on joonisel näidatud kuju: Zener-dioodi pinge, mida nimetatakse stabiliseerimispingeks Ustab, saavutamisel suureneb Zener-dioodi läbiv vool järsult. Ideaalse zeneri dioodi diferentsiaaltakistus Rdiff selles voolu-pinge karakteristiku osas kipub olema 0; reaalsetes seadmetes on Rdif väärtus: Rdif 2 50 Ohm.

Zeneri dioodi põhieesmärk on stabiliseerida koormuse pinget, kui pinge välisahelas muutub. Sellega seoses ühendatakse Zeneri dioodiga järjestikku koormustakisti, mis summutab välise pinge muutust. Seetõttu nimetatakse zeneri dioodi ka võrdlusdioodiks. Stabiliseerimispinge Ustab sõltub füüsilisest mehhanismist, mis põhjustab voolu järsu sõltuvuse pingest. Voolu pingest sõltuvuse eest vastutavad kaks füüsilist mehhanismi - laviin ja pn-siirde tunneli purunemine. Tunneli purunemismehhanismiga zeneri dioodide puhul on stabiliseerimispinge Ustab väike ja alla 5 volti: Ustab 8 V.

Varicaps Varicap on pooljuhtdiood, mille töö põhineb barjääri sõltuvusel võimsused p-nüleminek pöördpingelt. Varikapeid kasutatakse elektriliselt juhitava mahtuvusega elementidena ahelates võnkeahela sageduse häälestamiseks, sageduste jagamiseks ja korrutamiseks, sagedusmoduleerimiseks, juhitavateks faasinihutiteks jne. Välise pinge puudumisel eksisteerib potentsiaalibarjäär ja sisemine elektriväli. p-n ristmikul. Kui dioodile rakendatakse pöördpinget, suureneb selle potentsiaalse barjääri kõrgus. Väline pöördpinge tõrjub elektronid sügavamale n-piirkonda, mille tulemuseks on ammendumise piirkonna laienemine. p-n aladüleminek, mida saab kujutada kui kõige lihtsamat lamekondensaatorit, milles plaadid on piirkonna piirid. Sel juhul väheneb lamekondensaatori mahtuvuse valemi kohaselt plaatide vahelise kauguse suurenemisega (põhjustatud pöördpinge väärtuse suurenemisest) pn-siirde mahtuvus. Seda vähendamist piirab ainult aluse paksus, millest kaugemale ei saa üleminek laieneda. Kui see miinimum on saavutatud, ei muutu mahtuvus vastupidise pinge suurenemisel.

N+ tüüpi pooljuhis on juhtivusriba kõik olekud kuni Fermi tasemeni hõivatud elektronidega ja p+ tüüpi pooljuhis aukudega. Kahest degenereerunud pooljuhist moodustatud p+ n+ siirde ribadiagramm: Arvutame degenereerunud p n-siirde geomeetrilise laiuse. Eeldame, et sel juhul säilib pn-siirde asümmeetria (p+ on tugevamalt legeeritud piirkond). Siis on p+ n+ ülemineku laius väike: Elektroni De Broglie lainepikkust hindame lihtsate seoste alusel:

Seega osutub p+ n+ ülemineku geomeetriline laius võrreldavaks elektroni de Broglie lainepikkusega. Sel juhul võib degenereerunud p+ n+ ristmikul manifestatsiooni oodata kvantmehaaniline mõju, millest üks on tunnelistumine läbi potentsiaalse barjääri. Kitsa tõkke korral on tunneli läbi tõkke imbumise tõenäosus nullist erinev. Pöörddiood on tunneldiood, millel pole negatiivset diferentsiaaltakistust. Voolu-pinge karakteristiku kõrge mittelineaarsus nullilähedase madala pinge korral (suurusjärgus mikrovolti) võimaldab seda dioodi kasutada tuvastamiseks nõrgad signaalid mikrolaineahju vahemikus. Germaaniumi pöörddioodi volt-amperkarakteristik a) koguvoolu-pinge karakteristik; b) voolu-pinge karakteristiku pöördlõige erinevatel temperatuuridel

Slaid 2

Kasutusala

Dioodi põhiomadus seisneb selles, et see läbib ühes suunas voolu hästi, teises suunas aga peaaegu üldse voolu ei liigu. Mõne dioodi abil saate teisendada vahelduvvoolu alalisvooluks, millega enamik kompaktseid elektroonikaseadmeid töötab.

Slaid 3

Dioodi seade

Diood on germaaniumi (p-tüüpi juhtivusega) ja indiumi (n-tüüpi) plaat.

Slaid 5

Toimimispõhimõte

Seega, kui anoodile (+) ja katoodile (-) rakendatakse positiivset pinget, voolab vool kergesti. Seda ühendust nimetatakse positiivse dioodi ühenduseks. Kui diood on tagurpidi sisse lülitatud (st kui anoodile (-) ja katoodile (+) ei voola voolu.

Slaid 7

Tasapinnaline diood On lihtne näha, et selline diood ala p-nüleminek on palju suurem kui punktüleminek. Võimsate dioodide puhul võib see ala ulatuda kuni 100 ruutmillimeetrini või rohkemgi, seega on nende alalisvool palju suurem kui punktdioodidel. Madalatel sagedustel töötavates alaldites kasutatakse reeglina mitte rohkem kui mitukümmend kilohertsi tasapinnalisi dioode.

Varicapsi tegevus põhineb mahtuvuslikul kasutamisel omadused р-nüleminek. Varicapsi saab kasutada erinevatel eesmärkidel muutuvate kondensaatoritena. Mõnikord kasutatakse neid parameetrilistes võimendites. Parameetrilise võimendi tööpõhimõte on induktiivpoolist L ja kondensaatorist C koosneva võnkeahela kadude osaline kompenseerimine. perioodiline muutus kondensaatori mahtuvus või pooli induktiivsus (eeldusel, et muutus toimub teatud kvantitatiivsetes ja faasisuhetes ahela võnkesagedusega). Sel juhul suureneb elektriliste võnkumiste (signaali) võimsus allika energia tõttu, mis muudab perioodiliselt reaktiivse parameetri väärtust. Sellise muutuva reaktiivparameetrina kasutatakse varikappi, mille mahtuvus muutub spetsiaalsest pumbageneraatorist antava harmoonilise pinge mõjul. Kui varikapi ja pumba generaatorit kasutades kompenseeritakse kõik kontuurikaod täielikult, st. viia see iseergastusseisundisse, siis nimetatakse sellist süsteemi parameetriliseks generaatoriks.