Представлена презентация, которую можно использовать на уроках физики, а также на занятиях по электротехнике и основам электроники в средних профессиональных образовательных учреждениях. В работе изложена тема “полупроводниковые приборы”.
Полупроводниковыми или электропреобразовательными называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников.
K полупроводникам относятся элементы четвертой группы таблицы Менделеева, имеющих кристаллическую структуру. Наиболее распространенными являются германий, кремний, селен.
K полупроводникам также относятся окислы металлов - оксиды, соединения с серой - сульфиды, соединения с селеном – селениды.
Виды полупроводников и их проводимостей. Собственный полупроводник - это беспримесный полупроводник.
Процесс возникновения свободных электронов и дырок называется генерацией носителей заряда.
B полупроводнике возможен процесс, обратный процессу генерации - рекомбинация. При рекомбинации происходит уничтожение пары зарядов электрон-дыркаКонцентрация носителей заряда, а следовательно, и электропроводность в полупроводнике возрастает с увеличением температуры. При температуре концентрация носителей заряда для чистого Ge равна 10 13 см -3 , для Si – 10 11 см -3 .
Этот полупроводник обладает собственной проводимостью, которая складывается из электронов и дырок в равных количествах
3 слайд:
Виды полупроводников и их проводимостей
Электронный полупроводник
Проводимость такого типа называется электронной или n-типа (от negative - отрицательный).
Примесь, дающая избыток электронов называется донорной (дающей электроны - основные носители зарядов, а дырки - неосновные.
Дырочный полупроводник
Дырочным (p-типа) называется примесный полупроводник, валентность атомов примеси которого меньше валентности атомов чистого полупроводника. Например, германий с примесью индия. Проводимость такого полупроводника будет определяться дырками и называется дырочной или р -типа (от positive – положительный).
Примесь, дающая избыток дырок, называется акцепторной (принимающей).
Дырки - основные носители зарядов, а электроны - неосновные.
5 слайд:
Полупроводниковые диоды
1. Случай отсутствия напряжения.
Область, в которой образуется двойной электрический слой и электрическое поле называется электронно-дырочным n-p - переходом.
Основные носители заряда, перемещаясь через n-p – переход, создают ток диффузии. Движение неосновных носителей заряда создает ток проводимости.
B состоянии равновесия эти токи равны по величине и противоположны по направлению. Тогда результирующий ток через переход равен нулю.
2. Случай прямого напряжения.
Такой полярности напряжение называется прямым.
При прямом напряжении внешнее поле ослабляет поле n-p – перехода.
Переход основных носителей заряда будет преобладать над переходом неосновных носителей заряда. Через переход пойдет прямой ток. Этот ток велик, т.к. определяется основными носителями заряда.
3. Случай обратного напряжения.
Через n-p – переход переходят только неосновные носители заряда: дырки из n – полупроводника и электроны из р – полупроводника. Они и создают во внешней цепи ток, противоположный прямому току – обратный ток. Он примерно в тысячу раз меньше прямого тока, т.к. определяется неосновными носителями зарядов.
8 слайд:
Вольтамперная характеристика диода
При увеличении обратного напряжения потоки основных носителей заряда уменьшаются, обратный ток увеличивается.
Дальнейшее увеличение U обр увеличивает ток незначительно, т.к. он определяется потоками неосновных носителей заряда.
Основное свойство диодов: т.к. диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то они обладают свойством односторонней проводимости, являются электрическими вентилями и используются в схемах выпрямителей переменного тока.
9 слайд:
Типы диодов
Устройство плоскостного диода
Устройство точечного диода
Обозначение полупроводниковых диодов на схемах.
10 слайд:
Опорные кремниевые диоды
Этот диод устроен так, что повышение обратного напряжения (приложенного к n-p – переходу) выше некоторого предела приводит к пробою диода - быстрому возрастанию обратного тока I обр при постоянном значении обратного напряжения U обр.
Если ток через диод превысит I maх, то это приведет его к перегреву и разрушению. Рабочим участком характеристики является участок отI min доI maх , который используется для стабилизации напряжения. Опорные диоды используются для стабилизации напряжения и создают опорное (эталонное) напряжение. Поэтому они называются кремниевыми стабилитронами.
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
учитель физики: Абрамова Тамара Ивановна МБОУ « Бутурлиновская СОШ» 2016г.
Что такое полупроводник? Откуда взялись электроны и дырки? Что получится при добавлении мышьяка в германий? Полупроводники идут на контакт. Одностороняя проводимость – не только на дорогах. Диоды, транзисторы, светодиоды, фотоэлементы – где с ними встречаемся? Сегодня на уроке.
ПОЛУПРОВОДНИКИ ρ металлов ‹ ρ полупров. ‹ ρ диэл. ρ₁ - У С металлов Ρ ₂ - УС полупроводников Ρ ₃ - УС диэлектриков
Строение полупроводников К полупроводникам относятся химические элементы германий, кремний, селен, мышьяк, индий, фосфор,… и их соединения. В земной коре этих соединений достигает 80%. При низких температурах и в отсутствии освещенности чистые п/п не проводят электрического тока, т. к. в них нет свободных зарядов. Кремний и германий имеют на внешней электронной оболочке по 4 (валентных) электрона. В кристалле каждый из этих электронов принадлежит двум соседним атомам, образуя, т. н. ковалентную связь. Эти электроны участвуют в тепловом движении, но остаются на своих местах в кристалле. С е Р а С е л е н Кремний
Собственная проводимость полупроводников П р и н а г р е в а н и и П р и о с в е щ е н и и N эл. = N дыр.
полупроводник фольга корпус изолятор вывод
Искусственные спутники Земли, космические корабли, электронно – вычислительная техника, радиотехника, автоматизированные системы счета, сортировки, проверки качества, … Применение Фотореле, аварийные Выключатели.
примесная проводимость полупроводников N электронов > N дырок Проводимость – электронная (донорная). Полупроводник – n- типа. N дырок > N электронов. Проводимость –дырочная (акцепторная). Полупроводник – p -типа.
Электронно – дырочный переход R зап. слоя велико! R з.с. уменьшилось. R з.с. увеличилось. d= 10 ¯⁵ c м
Свойство контакта полупроводников с разным типом проводимости n – p переход Х а р а к т е р и с т и к а Основное свойство n – p перехода - Односторонняя проводимость В о л ь т а м п е р н а я Прямой переход. Обратный переход
Германий -катод Индий – анод Полупроводниковый диод Главное свойство – односторонняя проводимость. Используется для выпрямления слабых токов в радиоприемниках, телевизорах, и сильных токов в ЭД трамваев, электровозов.
Принцип работы полупроводникового устройства Основные носители зарядов Неосновные носители зарядов Виды диодов – плоскостные и точечные. Достоинства: Малые размеры и масса, высокий к.п.д., прочны.
транзисторы Применяются в качестве усилителей в радиотехнике, в электротехнике.
Полупроводниковые приборы
Фотоэлементы и термоэлементы
Применение фотоэлементов
Светодиоды полупроводниковые Светодиоды – приборы, преобразующие электрическую энергию в световую. Излучают кванты света под действием приложенного напряжения.
Полупроводниковые термоэлементы Преобразуют внутреннюю энергию в электрическую.
1.Какими носителями электрического заряда создается ток в металлах и в чистых полупроводниках? А. И в металлах, и в полупроводниках только электронами. Б. В металлах только электронами, в полупроводниках только « дырками». В. В металлах только электронами, в полупроводниках электронами и «дырками». Г.В металлах и полупроводниках ионами. 2. Какой тип проводимости преобладает в полупроводниках с примесями? А. Электронная. Б. Дырочная. В. В равной степени электронная и дырочная. Г. Ионная. 3. Как зависит сопротивление от температуры в металлах и в полупроводниках? А.В металлах увеличивается, а в полупроводниках уменьшается с ростом температуры. Б. В металлах уменьшается, а в полупроводниках увеличивается с ростом температуры. В. В металлах не изменяется, а в полупроводниках уменьшается с изменением температуры. Г. В металлах увеличивается с изменением температуры, а в полупроводниках не изменяется. 4. Применяется ли закон Ома для тока в полупроводниках и в металлах? А. Для тока в полупроводниках применяется, а для тока в металлах нет. Б. Для тока в металлах применяется, а для тока в полупроводниках нет. В. Применяется и для тока в металлах, и для тока в полупроводниках. Г. Не применяется ни в каком случае. Задания для самоконтроля 1.В 2.А 3.А 4.Б.
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
При разработке урока по теме «Полупроводники. Примесный полупроводник. Собственная проводимость» были применены электронные образовательные ресурсы....
разработка урока по теме«Полупроводники.Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электрический ток в полупроводниках»...
презентация "Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электрический ток в полупроводниках"
презентация:"Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электрический ток в полупроводниках"...
Полупроводниковые приборы урок –исследование по физике. 9 класс
Берюмова Ольга Николаевна, учитель физики МОУ СОШ № 22 Курского муниципального района Ставропольского края
Цель: изучения принципа действия и строения полупроводниковых приборов .
- виды электропроводности;
- полупроводники их свойства и применение;
- принципы работы полупроводниковых приборов
Полупроводниковые приборы.
- « Полупроводниковые приборы » - это перспективная ветвь развития электротехники.
Диоды
Фотоэлектрические полупроводниковые приборы
Полупроводники
Триоды
Интегральные микросхемы
Транзисторы
Резисторы
Виды проводимости
Примесная
Электронная
Дырчатая
Не основные носители заряда
- созда ётся путём добавления к тщательно очищенному полупроводнику весьма малого количества примеси.
- В пластине полупроводника, на границе между двумя слоями с различного рода электропроводностями, образуется электронно-дырочный переход , называемый также р-п- переходом или запирающим слоем.
Биполярные транзисторы
- Биполярный транзистор можно условно рассматривать как соединение полупроводниковых диодов.
- * Термин «транзистор», образованный путем слияния двух английских слов transfer -передача и resistor - сопротивление, надо понимать как передающее сопротивление. .
- В современных электронных вычислительных машинах количество пассивных (резисторов, конденсаторов) и активных (диодов, транзисторов) элементов достигает миллионов.
- 1 . Средствами электротехники относительно быстро решаются важнейшие технические проблемы в народном хозяйстве.
- 2. Полупроводниковые приборы вытеснили электронные лампы и ионные приборы
- 3. Электрическая проводимость полупроводников с повышение температуры уменьшается.
- 4. Чем лучше очистка полупроводника, тем выше его удельное сопротивление.
- 5. На практике используется исключительно примесная электропроводность полупроводников,
- 6. Размеры диода зависят от допустимой для данного типа диодов плотности тока.
- 7. Чем больше нагревостойкость диода, тем меньше могут быть его габариты при том же КПД
- 8 . В настоящее время широко применяют несколько видов полупроводниковых диодов: селеновые, германиевые, кремниевые, редко из арсенида галлия.
9. Применение электронных устройств приводит к непрерывному усложнению их схем и к увеличению количества используемых в них элементов.
- 10 В современных электронных вычислительных машинах количество пассивных (резисторов, конденсаторов) и активных (диодов, транзисторов) элементов достигает миллионов.
- 11 Разработаны новые принципы создания электронных устройств на базе элементной интеграции.
- 12 Электронные устройства на полупроводниковых интегральных микросхемах могут иметь плотность монтажа до 500 элементов в 1 см 3 .
- 13. Интегральные микросхемы представляют собой усилительные устройства.
- 14. Они обладают большим быстродействием и высокой надежностью (безотказностью в работе). Современные интегральные микросхемы могут содержать более 1000 элементов.
- 15. Большие интегральные микросхемы рассчитаны на очень небольшую мощность - десятые доли ватта .
Материал презентации может быть использован, как ввовное занятие на уроках физики, информатики или электротехники для объяснения работы полупроводников. Рассмотрена классификация веществ по типу проводимости. Дается объяснение собственной и примесной проводимости. Объяснена работа p-n - перехода. Диод и его свойства. Кратко дается понятие о транзисторах.
Скачать:
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Презентация по теме: «Полупроводники» Преподаватель: Виноградова Л.О.
Классификация веществ по проводимости Собственная проводимость полупроводников Примесная проводимость полупроводников p – n переход и его свойства Полупроводниковый диод и его применение Транзисторы Электрический ток в различных средах Электрический ток в полупроводниках
Классификация веществ по проводимости Разные вещества имеют различные электрические свойства, однако по электрической проводимости их можно разделить на 3 основные группы: Электрические свойства веществ Проводники Полупроводники Диэлектрики Хорошо проводят электрический ток К ним относятся металлы, электролиты, плазма … Наиболее используемые проводники – Au , Ag, Cu, Al, Fe … Практически не проводят электрический ток К ним относятся пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага … Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками Si, Ge , Se, In, As
Классификация веществ по проводимости Вспомним, что проводимость веществ обусловлена наличием в них свободных заряженных частиц Например, в металлах это свободные электроны - - - - - - - - - - К содержанию
Собственная проводимость полупроводников Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si Si Si Si Si Si - - - - - - - - Кремний – 4 валентный химический элемент. Каждый атом имеет во внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 соседними атомами При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит электрический ток
Собственная проводимость полупроводников Рассмотрим изменения в полупроводнике при увеличении температуры Si Si Si Si Si - - - - - - + свободный электрон дырка + + При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и некоторые из них покидают связи, становясь свободными электронами. На их месте остаются некомпенсированные электрические заряды (виртуальные заряженные частицы), называемые дырками Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток - -
Собственная проводимость полупроводников Таким образом, электрический ток в полупроводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов и положительных виртуальных частиц - дырок При увеличении температуры растет число свободных носителей заряда, проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается R (Ом) t (0 C) R 0 металл полупроводник К содержанию
Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического применения полупроводников Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные Донорные примеси Si Si As Si Si - - - - - - - При легировании 4 – валентного кремния Si 5 – валентным мышьяком As , один из 5 электронов мышьяка становится свободным Таким образом изменяя концентрацию мышьяка, можно в широких пределах изменять проводимость кремния Такой полупроводник называется полупроводником n – типа, основными носителями заряда являются электроны, а примесь мышьяка, дающая свободные электроны, называется донорной Примесная проводимость полупроводников - -
Примесная проводимость полупроводников Акцепторные примеси Если кремний легировать трехвалентным индием, то для образования связей с кремнием у индия не хватает одного электрона, т.е. образуется дырка Si Si In Si Si - - - - - + Изменяя концентрацию индия, можно в широких пределах изменять проводимость кремния, создавая полупроводник с заданными электрическими свойствами Такой полупроводник называется полупроводником p – типа, основными носителями заряда являются дырки, а примесь индия, дающая дырки, называется акцепторной - -
Примесная проводимость полупроводников Итак, существует 2 типа полупроводников, имеющих большое практическое применение: р - типа n - типа Основные носители заряда - дырки Основные носители заряда - электроны + - Помимо основных носителей в полупроводнике существует очень малое число неосновных носителей заряда (в полупроводнике p – типа это электроны, а в полупроводнике n – типа это дырки), количество которых растет при увеличении температуры К содержанию
p – n переход и его свойства Рассмотрим электрический контакт двух полупроводников p и n типа, называемый p – n переходом + _ 1. Прямое включение + + + + - - - - Ток через p – n переход осуществляется основными носителями заряда (дырки двигаются вправо, электроны – влево) Сопротивление перехода мало, ток велик. Такое включение называется прямым, в прямом направлении p – n переход хорошо проводит электрический ток р n
p – n переход и его свойства + _ 2. Обратное включение + + + + - - - - Основные носители заряда не проходят через p – n переход Сопротивление перехода велико, ток практически отсутствует Такое включение называется обратным, в обратном направлении p – n переход практически не проводит электрический ток р n Запирающий слой К содержанию
Полупроводниковый диод и его применение Полупроводниковый диод – это p – n переход, заключенный в корпус Обозначение полупроводникового диода на схемах Вольт – амперная характеристика полупроводникового диода (ВАХ) I (A) U (В) Основное свойство p – n перехода заключается в его односторонней проводимости
Полупроводниковый диод и его применение Применение полупроводниковых диодов Выпрямление переменного тока Детектирование электрических сигналов Стабилизация тока и напряжения Передача и прием сигналов Прочие применения
До диода После диода После конденсатора На нагрузке Полупроводниковый диод и его применение Схема однополупериодного выпрямителя
Полупроводниковый диод и его применение Схема двухполупериодного выпрямителя (мостовая) вход выход + - ~
Транзисторы p-n-p канал p- типа n-p-n канал n- типа Условные сокращения: Э - эмиттер, К - коллектор, Б – база. Транзистор был первым полупроводниковым устройством, способным выполнять такие функции вакуумного триода (состоящего из анода, катода и сетки), как усиление и модуляция. Транзисторы вытеснили электронные лампы и произвели революцию в электронной промышленности.
Бесконтактные датчики температуры (пирометры)
применяются там, где затруднен доступ к измеряемым деталям, а также необходима мобильность и малая инерционность измерений. Кроме того, бесконтактные датчики температуры незаменимы там, где необходимо измерять высокие температуры – от 1500 до 3000 С.
Инфракрасное излучение с длиной волны 3 – 14 мкм от измеряемого объекта попадает на чувствительный элемент бесконтактного датчика температуры и преобразуется в электрический сигнал, который затем усиливается, нормируется, а в новых моделях датчиков и оцифровывается для передачи по сети.
Основные области применения высокотемпепературных пирометров С-700.1 СТАНДАРТ:
Металлургия: Измерение температуры расплавов черных металлов, деталей при термической и механической обработке.
Стекольная промышленность: Наладка стеклоформовочных машин, контроль температурных режимов стекловарочных печей.
Cтроительная индустрия: Контроль температуры техпроцесса изготовления строительных материалов (цемент, кирпич, строительные смеси и т.д.).
ТЕПЛОВИЗОРЫ
термопары
Термопары представляют собой две проволоки из различных металлов, сваренных между собой на одном из концов.
Термоэлектрический эффект открыл немецкий физик Зеебек в первой половине 19-го века. Если соединить два проводника из разнородных металлов таким образом, что бы они образовывали замкнутую цепь и поддерживать места контактов проводников при разной температуре, то в цепи потечет постоянный ток. Экспериментальным путем были подобраны пары металлов, которые в наибольшей степени подходят для измерения температуры, обладая высокой чувствительностью, временной стабильностью, устойчивостью к воздействию внешней среды. Это например пары металлов хромель-аллюмель, медь-константан, железо-константан, платина-платина/родий, рений-вольфрам. Каждый тип подходит для решения своих задач. Термопары хромель-алюмель (тип К) имеют высокую чувствительность и стабильность и работают до температур вплоть до 1300 С в окислительной или нейтральной атмосфере. Это один из самых распространенных типов термопар. Термопара железо-константан (тип J) работает в вакууме, восстановительной или инертной атмосфере при температурах до 500 С. При высоких температурах до 1500 С используют термопары платина- платина/родий (тип S или R) в керамических защитных кожухах. Они прекрасно измеряют температуру в окислительной, нейтральной среде и вакууме.
Термометры сопротивления
это резисторы, изготовленные из платины, меди или никеля. Это могут быть проволочные резисторы, либо металлический слой может быть напыленным на изолирующую подложку, обычно керамическую или стеклянную. Платина чаще всего применяется в термометрах сопротивления из-за ее высокой стабильности и линейности изменения сопротивления с температурой. Медь используется в основном для измерения низких температур, а никель в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур. Для защиты от внешней среды платиновые термометры сопротивления помещают в защитные металлические чехлы и изолируют керамическими материалами, такими как оксид алюминия или оксид магния. Такая изоляция снижает так же воздействие вибрации и ударов на датчик. Однако вместе с дополнительной изоляцией растет и время отклика датчика на резкие температурные изменения. Платиновые термометры сопротивления одни из самых точных датчиков температуры. Кроме того, они стандартизированы, что значительно упрощает их использование. Стандартно производятся датчики сопротивлением 100 и 1000 Ом. Изменение сопротивления таких датчиков с температурой дается в любых тематических справочниках в виде таблиц или формул. Диапазон измерений платиновых термометров сопротивления составляет -180 С +600 С. Несмотря на изоляцию, стоит оберегать термометры сопротивления от сильных ударов и вибрации.
Термисторы.
В этом классе датчиков используется эффект изменения электрического сопротивления материала под воздействием температуры. Обычно в качестве термисторов используют полупроводниковые материалы, как правило, оксиды различных металлов. В результате получаются датчики с высокой чувствительностью. Однако большая нелинейность позволяет использовать термисторы лишь в узком диапазоне температур. Термисторы имеют невысокую стоимость и могут изготавливаться в миниатюрных корпусах, позволяя увеличить тем самым быстродействие. Существует два типа термисторов, использующих положительный температурный коэффициент – когда электрическое сопротивление растет с повышением температуры и использующих отрицательный температурный коэффициент – здесь электрическое сопротивление падает при повышении температуры. Термисторы не имеют определенной температурной характеристики. Она зависит от конкретной модели прибора и области его применения. Основными достоинствами термисторов является их высокая чувствительность, малые размеры и вес, позволяющие создавать датчики с малым временем отклика, что важно, например, для измерения температуры воздуха. Безусловно, невысокая стоимость так же является их достоинством, позволяя встраивать датчики температуры в различные приборы. К недостаткам можно отнести высокую нелинейность термисторов, позволяющую их использовать в узком температурном диапазоне. Использование термисторов так же ограничено в диапазоне низких температур. Большое количество моделей с различными характеристиками и отсутствие единого стандарта, заставляет производителей оборудования использовать термисторы только одной конкретной модели без возможности замены.
Полупроводниковые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур для таких датчиков составляет от -50 С до +150 С. Внутри этого диапазона кремниевые датчики температуры показывают хорошую линейность и точность. Возможность производства в одном корпусе такого датчика не только самого чувствительного элемента, но так же и схем усиления и обработки сигнала, обеспечивает датчику хорошую точность и линейность внутри температурного диапазона. Встроенная в такой датчик энергонезависимая память позволит индивидуально откалибровать каждый прибор. Большим плюсом можно назвать большое разнообразие типов выходного интерфейса: это может быть напряжение, ток, сопротивление, либо цифровой выход, позволяющий подключить такой датчик к сети передачи данных. Из слабых мест кремниевых датчиков температуры можно отметить узкий температурный диапазон и относительно большие размерами по сравнению с аналогичными датчиками других типов, особенно термопарами. Кремниевые датчики температуры применяются в основном для измерения температуры поверхности, температуры воздуха, особенно внутри различных электронных приборов.
