Czym półprzewodnik różni się od przewodnika metalicznego?, Streszczenia z Fizyka

Pobierz Czym półprzewodnik różni się od przewodnika metalicznego? i więcej Streszczenia w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Czym półprzewodnik różni się od przewodnika metalicznego? Wprowadzenie Przeczytaj Animacja 3D Sprawdź się Dla nauczyciela Czy to nie ciekawe? Półprzewodniki w porównaniu z metalami praktycznie nie przewodzą prądu – różnią się oporem właściwym o blisko osiem rzędów wielkości. Jednak dzięki możliwości modyfikowania ich struktury elektronowej, stały się podstawą funkcjonowania współczesnej elektroniki. Półprzewodniki od metali różnią się także właściwościami mechanicznymi. Przyczyną tych odmiennych właściwości jest różnica w liczbie elektronów na ostatniej powłoce w atomach tworzących te materiały. Czym półprzewodnik różni się od przewodnika metalicznego? ostatniej powłoce poprzez uwspólnienie elektronów między wiążącymi się atomami (tworzą się pary elektronów wiążących, z których każdy pochodzi z innego z łączących się atomów). Leżące w czternastej grupie układu okresowego pierwiastki półprzewodnikowe: krzem i german mają cztery elektrony walencyjne i uzyskują pożądane osiem na ostatniej powłoce tworząc wiązanie kowalencyjne z czterema sąsiadami. (Rys. 2.). Rys. 2. Schemat wiązań chemicznych w półprzewodnikach na przykładzie krzemu Podobny układ atomów tworzą związki półprzewodnikowe między atomami 13 i 15 grupy a także w związkach atomów z 12 i 16 grupy. Więcej na temat budowy wewnętrznej metali i półprzewodników możesz się dowiedzieć z e‐materiałów „Jak zbudowane są metale” i „Jaka jest struktura półprzewodników”. Różnica w tworzonych wiązaniach chemicznych powoduje szereg różnic w wartościach wielkości fizycznych charakteryzujących metale i materiały stosowane jako półprzewodniki. Ważnymi wielkościami opisującymi właściwości elektryczne są: koncentracja nośników prądu, ruchliwość nośników, energetyczna przerwa wzbroniona i opór elektryczny właściwy. Ruchliwość nośników oznacza się literą . Jest to wielkość opisująca wpływ zewnętrznego pola elektrycznego na średnią prędkość dryfu nośników i wyrażana wzorem gdzie – ruchliwość,  – średnia prędkość dryfu nośników, – natężenie zewnętrznego pola elektrycznego. Koncentrację nośników oznacza się literą . Jest to ilość nośników w jednostce objętości materiału. μ μ = u E , μ u E n Energetyczną przerwę wzbronioną oznaczamy symbolem . Jest to odległość energetyczna między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa. Określa ona minimalną energię, jaką muszą uzyskać elektrony związane z atomem, aby stały się elektronami swobodnymi. Opór elektryczny właściwy oznaczamy literą . Jest miarą zdolności materiału do stawiania oporu przepływającemu prądowi elektrycznemu, możemy opisać go wzorem , gdzie –opór elektryczny właściwy, – opór elektryczny przewodnika, – pole przekroju poprzecznego przewodnika, – długość przewodnika. Opór elektryczny właściwy związany jest z ruchliwością i koncentracją nośników zależnością: . Podstawowe różnice między metalami a półprzewodnikami przedstawia tabela: Metale Półprzewodniki Wiązania chemiczne Wiązanie metaliczne - za utrzymanie atomów odpowiada chmura swobodnych elektronów, słabo wiążące sąsiednie atomy Kowalencyjne ukierunkowane – silnie wiążące sąsiednie atomy Typowa struktura krystaliczna heksagonalna struktura diamentu ΔE g ρ ρ = RS l ρ R S l ρ = 1 neμ Metale Półprzewodniki regularna ściennie centrowana regularna przestrzennie centrowana Nośniki prądu elektrony elektrony i dziury Koncentracja nośników ~10 m słabo zależy od temperatury 10 do 10 m w półprzewodnikach samoistnych silnie zależy od temperatury Ruchliwość nośników ~10 m /V · s  0,05 – 8 m /V · s 28 -3 12 16 -3 -3 2 2 Animacja 3D Czym półprzewodnik różni się od przewodnika metalicznego? Animacja ilustruje różnice we właściwościach elektrycznych między metalami a półprzewodnikami w oparciu o przepływ prądu w równolegle połączonych elementach o jednakowych wymiarach, z których jeden jest wykonany z materiału półprzewodnikowego, a drugi z metalu. Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DMA8Fcxbo Opis alternatywny animacji 3D. Na czarnym tle pojawia się wiele białych sześcianów, które po chwili łączą się w jeden mniejszy biały sześcian. Obok po prawej stronie pojawia się biały napis: czym półprzewodniki różnią się od przewodnika metalicznego? Po chwili napis i sześcian znikają. Na czarnym tle pojawia się schemat układu elektrycznego w postaci prostokąta narysowanego białymi liniami. W połowie wysokości prostokąt podzielony jest na część górną i dolną poziomą białą linią łączącą pionowe boki. Na dolnej krawędzi obwodu widoczne jest źródło napięcia w postaci dwóch pionowych białych kresek z przerwą pomiędzy nimi. Lewa pionowa kreska jest krótsza a obok niej widoczny jest znak minus, co oznacza że niższy potencjał elektryczny. Obok dłuższej pionowej kreski po prawej stronie widnieje znak plus, który oznacza wyższy potencjał. Na górnej krawędzi obwodu widoczny jest poziomy prostokąt narysowany białą linią. Symbolizuje on półprzewodnik. Wewnątrz prostokąta poruszają się dwa rodzaje ładunków widocznych w postaci niebieskich i czerwonych punktów poruszających się w kierunku poziomym. Niebieskie punkty to elektrony. Elektrony poruszają się w prawo od niższego potencjału źródła napięcia ku wyższemu potencjałowi. Czerwone punkty to dziury elektronowe o ładunku takim samym co do wartości co elektrony ale znaku dodatnim. Poruszają się one w lewo od większego potencjału źródła napięcia do mniejszego potencjału. Na środkowej poziomej linii obwodu widoczny jest również poziomy prostokąt, narysowany białą linią. Symbolizuje on przewodnik metaliczny. W przewodniku metalicznym jedynymi nośnikami ładunków są elektrony Widoczne w postaci wielu małych i niebieskich punktów poruszających się w prawo od niższego do wyższego potencjału źródła napięcia. W przewodniku metalicznym nośników ładunków jest znacznie więcej niż w półprzewodniku. Po podłączeniu do tego samego źródła napięcia, natężenie prądu elektrycznego płynącego przez przewodnik metaliczny wynosi jeden amper a przez półprzewodnik jedną dziesiątą mikroampera. Jest to sześć rzędów wielkości różnicy. Po chwili na ekranie pojawia się na białym tle niebieski napis Fizyka dziewięćset pięćdziesiąt kapsułek. W dolnej części ekranu pojawiają się z lewej strony logo Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, na środku logo Funduszy Europejskich i po prawej stronie logo Unii europejskiej i flaga Unii Europejskiej. Polecenie 1 Polecenie 2 Uzupełnij tekst. W istnieją dwa rodzaje nośników prądu: elektrony przenoszące ładunek i dziury przenoszące ładunek . W metalach nośnikami są tylko . Koncentracja nośników w jest dużo większa niż w . W nośniki dryfują szybciej niż w . metalach mniejsza półprzewodnikach metalach półprzewodnikach elektrony metalach półprzewodnikach ujemny dodatni półprzewodnikach dziury metalach Do kilku prętów o jednakowych wymiarach przyłożono takie samo napięcie. Przez jeden z prętów, który był półprzewodnikiem, przepłynął prąd o natężeniu 10 nA. Wartości natężeń prądów, które przepłynęły przez pozostałe pręty, przedstawiono poniżej. Wybierz pręty, które mogą być metalowe. I = 120 mA I = 2 mA I = 100 µA I = 5 A     Sprawdź się Pokaż ćwiczenia: 輸醙難 Ćwiczenie 1 Uzupełnij zdanie. W wiązaniu sieć krystaliczną tworzą dodatnie utrzymywane głównie dzięki oddziaływaniu chmury tworzonej przez . jonowym metalicznym atomy protony elektrony swobodne związane jony Ćwiczenie 2 Wybierz cechy wiązania kowalencyjnego: charakteryzuje się występowaniem swobodnych elektronów ukierunkowane nie może się tworzyć między dwoma atomami powoduje, że materiały, w którym występuje można poddawać obróbce plastycznej typowe dla półprzewodników      輸 輸 Dla nauczyciela Konspekt (scenariusz) lekcji Imię i nazwisko autora: Jarosław Krakowski Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Różnica między metalami a półprzewodnikami Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony Podstawa programowa: Cele kształcenia – wymagania ogólne I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem; 19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu; VIII. Prąd elektryczny. Uczeń: 1) opisuje przewodnictwo w metalach, elektrolitach i gazach; wyjaśnia proces jonizacji w gazach, wskazuje rolę promieniowania, wysokiej temperatury i dużego natężenia pola elektrycznego. Kształtowane kompetencje kluczowe: Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.: kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje cyfrowe, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się. Cele operacyjne: Uczeń: 1. charakteryzuje budowę wewnętrzną metali i półprzewodników i jej związek ze strukturą elektronową atomów. 2. objaśnia wpływ budowy wewnętrznej na właściwości materiałów. 3. analizuje wpływ budowy wewnętrznej na różnice we właściwościach metali i półprzewodników. 4. stosuje zdobytą wiedze do rozwiązywania zadań. Strategie nauczania: IBSE (Inquiry‐Based Science Education - nauczanie/uczenie się przedmiotów przyrodniczych przez odkrywanie/dociekanie naukowe). Metody nauczania: analiza pomysłów Formy zajęć: - praca w grupach; - praca indywidualna. Środki dydaktyczne: Zestawy zadań, internet, podręczniki Materiały pomocnicze: - rzutnik, - tablica PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca: Nauczyciel zadaje pytania: 1. Jakie pamiętacie zastosowania półprzewodników i przewodników metalicznych? Podsumowanie odpowiedzi: metale wykorzystuje się do wykonywania połączeń w obwodzie i wykonywania elementów, które mają dobrze przewodzić prąd elektryczny, np. zwojnice. Półprzewodniki stosowane są do przetwarzania sygnałów elektrycznych 2. Jakie są różnice w budowie wewnętrznej metali i półprzewodników? Podsumowanie odpowiedzi: dla metali charakterystyczne jest wiązanie metaliczne, przy którym pojawiają się swobodne elektrony, dla półprzewodników charakterystyczne jest wiązanie kowalencyjne z niewielką w porównaniu z metalami liczbą swobodnych elektronów, a także dodatnich nośników prądu nazywanych dziurami. Faza realizacyjna: Praca w grupach – uczniowie wyszukują w internecie i podręczniku różnice we właściwościach metali i półprzewodników, a następnie zebrane informacje zostają podsumowane np. w postaci tabeli. Faza podsumowująca: Rozwiązanie zadań 1, 2, 3, 4 z zestawu ćwiczeń w celu sprawdzenia stopnia przyswojenia zdobytej wiedzy. Praca domowa: Zadania 5, 6, 7, 8 z zestawu ćwiczeń w celu utrwalenia wiadomości. Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium: Może zostać wykorzystane w realizacji innych tematów obejmujących materiały stosowane w obwodach elektrycznych, a także przy powtórzeniu wiadomości.