ПЛАН-КОНСПЕКТ
УРОКА
Тема: «Собственная проводимость полупроводников»
Автор:
учитель физики МОУ СОШ
«Самарская Вальдорфская школа»
Тема урока: Собственная проводимость полупроводников.
Тип урока: Трёхшаговый метод подачи материала.
Педагогические технологии: феноменологическое рассмотрение, проблемная беседа, моделирование объекта, фронтальный эксперимент.
Цель урока: Построение теории собственной проводимости полупроводников. Развитие модельного мышления у учащихся, привитие навыков самостоятельного экспериментального исследования.
Оборудование: Приборы для демонстрации собственной проводимости стекла, таблица , панель для демонстрации работы фотосопротивления, комплект из источника питания 4,5В, соединительных проводов, диода и лампочки на каждую парту.
Ход урока:
1. Шаг третий - проработка материала предыдущих уроков.
Так как данный урок – первый в теме «Полупроводники», в начале урока кратко проговариваются основные моменты всей предшествующей темы. Учитель ведёт фронтальную беседу по темам: «Ток в металлах, ток в электролитах, ток в газах, ток в вакууме». Вопросы касаются механизмов проводимости в каждом случае. Для тока в газах проговариваются все виды разрядов и источники заряженных частиц в каждом случае. Проверяется домашнее задание: учащиеся рассказывают о работе ЭЛТ.
2. Шаг первый – наблюдение феномена.
Записывается тема урока.
Учитель обращает внимание учащихся, что нами не рассмотрен достаточно большой круг веществ. Все ли они являются диэлектриками?
Демонстрируется эксперимент: проводимость стекла.
Ход эксперимента показан на фотографиях. В сеть 220В последовательно включаются кусочек стеклянной палочки (вся палочка около 3 см, отрезок стекла между намотанной проволокой – 1 см) и лампа накаливания мощностью 75Вт. Для намотки должна быть использована толстая медная проволока, чтобы исключить её выгорание во время эксперимента.
Сначала цепь подключается к сети и учащиеся видят, она не замкнута. Делают вывод о том, что стекло не является проводником.
После этого учитель с помощью газовой горелки начинает нагревать стекло, лампочка постепенно загорается, когда в свечении стекла появляется зеленоватое искрение, нагрев прекращается. Учащиеся наблюдают, что после прекращения нагрева стекло продолжает светиться, а лампа накаливания – гореть, стекло начинает плавиться, и цепь размыкается, когда стекло разрывается. Учащиеся испытывают удивление. Возникает вопрос, а проводник ли стекло. Ученики обращают внимание на тему урока, приходит термин полупроводник.
Прежде чем приступить к объяснению феномена учащимся предлагается детально описать, что они наблюдали, сформулировать вывод. В ходе проблемной беседы устанавливается, что после прекращения нагрева с помощью газовой горелки, стекло продолжало нагреваться текущим по нему током и поэтому цепь не размыкалась.
Содержание вывода записывается в тетрадь под диктовку одного из учащихся: Характерное свойство полупроводников – их удельное сопротивление резко изменяется под влиянием внешних воздействий, например нагревания. Учитель чертит на доске графики зависимости от температуры удельного сопротивления металла и полупроводника, сообщает, что полупроводники составляют 4/5 земной коры. Показывает вещества, обладающие такими свойствами в таблице (№ 5, 6, 14, 15, 16, 32, 33, 34, 50, 51, 52, 53). Демонстрирует работу фотосопротивления в релейной схеме, обращая внимание учащихся на то, что полупроводники могут переходить в проводящее состояние и под действием света. Рассказывает и просит учащихся из аналогии вспомнить, где применяются термо - и фоторезисторы (измерение температуры, датчики в автоматических устройствах, управление током в цепи).
3. Шаг второй – создание теории феномена.
Учитель: «Прохождение тока через полупроводники не вызывает никаких химических изменений в них, как и в металлах. Следовательно, мы должны сделать вывод, что в них свободными носителями заряда являются электроны, а не ионы. Однако огромное различие в зависимостях удельного сопротивления от температуры указывает на глубокие качественные различия в прохождении тока через металлы и через полупроводники».
Перед учащимися ставится задача найти эти различия. В ходе проблемной беседы учитель задаёт вопросы об изменении подвижности электронов в металлах при нагревании (уменьшается), о связи электронов с ядром у полупроводников по сравнению с металлами (используя таблицу , знания о заполнении электронных оболочек). Учащиеся приходят к выводу: так как в полупроводниках, несмотря на уменьшение подвижности, проводимость при повышении температуры растёт, в них происходит очень быстрое возрастание числа свободных электронов, и влияние этого фактора пересиливает влияние уменьшения подвижности.
В тетради делается запись о том, что характерной особенностью полупроводников, резко отличающей их от металлов, является сильная зависимость числа свободных электронов от температуры.
Учитель, продолжая проблемную беседу, предлагает учащимся разобраться с механизмом проводимости полупроводников. Он задаёт вопросы о характере связи атомов в полупроводниковых кристаллах (ковалентная парноэлектронная). Учащиеся приходят к выводу, что в результате внешних воздействий некоторые электроны разрывают ковалентные связи и становятся свободными.
Учитель предлагает смоделировать ситуацию в классе. Парты – атомы без внешних электронов, ученики – внешние электроны, стулья – парноэлектронные связи. Температура низкая, свободных электронов практически нет. Повышаем температуру. Несколько учащихся встают и, изображая свободные электроны, хаотично перемещаются по классу. Учитель объявляет, что в веществе появилось электрическое поле, указывает его направление (например, от окна к двери). «Свободные электроны» начинают двигаться против силовых линий. Учитель удивляется, почему «внешние электроны» за партами остаются на месте, разьве на них поле не действует. На их попытку встать учитель реагирует заявлением, что у них недостаточно энергии, чтобы стать свободными. Тогда учащиеся догадываются и начинают перемещаться, переползая по свободным стульям («связям») против электрического поля. Учитель обращает внимание на результат короткой игры: свободные стулья оказались сгруппированы в одной части класса, а учащиеся, изображавшие свободные электроны – в другой.
Обсуждается вопрос, заряд какого знака переносился при движении вакансий для электронов – пустого места на стульях («+»).
Учитель вводит понятие дырка. Делается запись о том, что полупроводники обладают одновременно и электронной и дырочной проводимостью, что такая проводимость в чистом кристалле называется собственной проводимостью полупроводников. Внимание акцентируется на том, что в действительности под дырочной проводимостью понимается коллективное (эстафетное) перемещение электронов, которые осуществляют ковалентную связь.
4. Шаг первый – наблюдение феномена.
Первый шаг следующей темы «Примесная проводимость полупроводников» - фронтальный эксперимент.
Учащиеся на каждую парту получают следующее оборудование: источник питания, полупроводниковый диод в держателе, соединительные провода, маловольтную лампочку. Учитель сообщает, что перед ними полупроводниковое устройство – диод. Предлагается исследовать его свойства. Учащиеся собирают последовательную цепь и убеждаются в односторонней проводимости диода. Ситуация для них знакома (Изучали вакуумный диод). Удивляют малые размеры диода. Возникает вопрос, как он устроен.
Учитель проводит ещё одну короткую демонстрацию: одностороннюю проводимость светодиода. (Два светодиода соединены параллельно, проводят в противоположных направлениях). См. фото справа.
На этом урок заканчивается.
Домашнее задание: учебник под ред. § 71, описать исследование диода и сделать вывод.
Дополнительная литература, использованная при подготовке к уроку:
1. : Современные образовательные технологии,- М: Народное образование, 1998.
2. Элементарный учебник физики под ред. Академика . Том 2. Электричество и магнетизм,- М: ФИЗМАТЛИТ, 2000.
