Proiect didactic Nr 1 Grupa: Institutia: Colegiul Politehnic . ChisinauUnitatea: Studiul materialelor semiconductoareTema 1: Introducere in fizica semiconductorilorTimp: 120 minTipul lectiei: lectie de acumulare de noi cunostinteCompetenta specifica:

Competenţa de investigaţie ştiinţifică în domeniul fizicii, astronomiei Competenţa de comunicare ştiinţificăObiective: 1.Sa defineasca semiconductorii 2.Sa recunoasca tipurile de semiconductori 3 Sa aplice proprietatile semiconductorilor in diverse contexte 4.Sa explice carcateristicile diodei semiconductoare 5.Sa recunoasca benzile de energie, 6.Sa aprecieze importanta semiconductorilor in dezvoltarea tehnicii

Metode: conversatia, explicatia, dialog, problematizare, lucru in grup, lucru in perechi

Mijloace didactice: Creta, tabla, material teoretic, stilori, carioca, planse , proiector

Bibliografie: ,,Fizica semiconductorilor” Ion Munteanu, Bucuresti http://www.murata.com/en-global/products/sensor/magnetic/basic/effect http://marcel.suciu.eu/Cartea_Std_Mater.pdf

Scenariul lectiei

I. Moment organizatoric (5 min)Profesorul: Verifica pregatirea elevilor pentru lectie, verifica daca au pregatit rechizitiile necesare, daca elevul responsabil de serviciu si-a asumat responsabilitatile. Se prezinta studentilor, face cunostinta cu colectivul.Elevii: Se pregatesc pentru lectie, urmaresc recomandarile profesorului

II. Captarea atentiei (10 min)Profesorul: propune studentilor sa vizioneze ppt pregatit care indica importanta semiconductorilor .Aduce la cunostinta ca schimbări dramatice în tehnologia luminii sunt în curs de desfăşurare. Pâna nu de curând, semiconductoarele Led erau folosite numai ca simple indicatoare în diferite circuite electronice sau jucării. Noile tehnologii descoperite au permis producerea de Led-uri puternice şi eficiente. În multe aplicaţii au început deja să înlocuiască lămpile cu filament, în special acolo unde se cere durabilitate şi temperatură scazută. România posedă o infrastructură în domeniul semiconductorilor, care ar putea fi îmbunătaţită şi perfecţionată cu fonduri reduse, astfel încât să aducă profituri imense din produsele comercializate precum şi din economiile de energie. Singura cale pentru ancorarea ţării noastre în domeniul acestor tehnologii de vârf ar fi un sprijin consistent din partea statului: “Cazul unei iniţiative naţionale pentru lumina cu semiconductori

III. Dirijarea invatarii (30 min)Profesorul: Prezinta obiectivele lectiei:Elevii: Noteaza in caiete

Benzile de energie. Conductori, semiconductori, izolatori Semiconductori intrinseci Semiconductori extrinseci Probleme Joncţiunea pn. Dioda semiconduc toare Caracteristicile diodei semiconductoare Trasarea experimentală a caracteristicilor diodei semiconductoare Redresarea curentului alternativ Probleme Benzile de energie.

Conductori, semiconductori, izolatori

Prin nivel energetic întelegem o stare energetică posibilă într-unsistem cuantic atom, moleculă, nucleu, cristal, etc.)

Fiecare nivel energetic discret al atomului, caracterizat prin perechea de numere cuantice (n,l), în cristal se transformă într-o bandă energetică.

Noţiunea de benzi energetice (nivele energetice) reflectă numai starea energetică a electronilor dintr-un corp solid.

Conductoarele (metalele) au deasupra benzii de valenţă complet ocupată cu electroni o bandă de conducţie parţial ocupată cu electroni.

Corpurile solide a căror bandă de valenţă este complet ocupată cu electroni, iar banda de conducţie complet liberă este separată de banda de valenţă printr-o bandă interzisă îngustă de lărgime Eg

Corpurile solide a căror bandă de valenţă este complet ocupată cu electroni, iar banda de conducţie complet liberă este separată de banda de valenţă printr-o bandă interzisă îngustă de lărgime Eg < 3 eV , sunt semiconductoare.

Semiconductoarele sunt corpuri a căror conductivitate electrică σ = 1/ ρ = 104....10-8 1/Ωm este cuprinsă între cea a metalelor şi cea a izolatoarelor, fiind influenţată de temperatură ( la temperaturi joase sunt izolatoare şi la temperaturi înalte sunt conductoare.

Conducţia electrică a semiconductorilor

La temperaturi joase un semiconductor este un isolator cu rezistenţă electrică foarte mică.

Atomii aflaţi în nodurile reţelei cristaline oscilează în jurul poziţiei de echilibru. La o anumită temperatură vor avea o energie cinetică finită, existând posibilitatea ca electronii periferici să părăsească atomii devenind liberi.

Aducerea unui electron în starea de conducţie înseamnă trecerea lui din banda de valenţă (BV) în banda de conducţie (BC).

Prin plecarea electronului din BV în BC, în urma lui apare un nivel energetic liber numit “gol”. Apariţia unui gol este echivalentă cu apariţia unei sarcini electrice pozitive

Semiconductoare

Semiconductoare intrinseci ( pure)

Semiconductoare extrinseci

( cu impurităţi

de tip n

de tip p

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Dacă semiconductorului i se aplică o diferenţă de potenţial, electronii din banda de valenţă vor începe să se deplaseze în sens invers câmpului electric; golurile vor fi ocupate tocmai de acei electroni care se apropie de ele, lăsând în urma lor noi goluri.

Electronii se vor deplasa de la “-“ la “+” iar golurile în sens invers

În semiconductoare sunt posibile două tipuri de conducţie electrică:

- conducţia electronică, determinată de deplasarea electronilor în banda de conducţie;

- conducţie de goluri, determinată de deplasarea golurilor în banda de valenţă.

În cazul semiconductorilor intrinseci, datorită agitaţiei termice electronii pot trece din banda de valenţă în banda de conducţie BC, procesul numindu-se excitare termică intrinsecă ( generare termică intrinsecă ). În urma acestui proces apar electroni şi goluri în număr egal.

Pe de altă parte are loc şi procesul invers generării şi anume recombinarea electronilor cu golurile, respectiv trecerea electronilor din banda de conducţie BC în banda de valenţă BV.

Prin urmare, în regim de echilibru termodinamic la o anumită temperatură T, numărul actelor de generare este egal cu numărul actelor de recombinare, iar în semiconductor se va stabili o concentraţie staţionară de electroni şi goluri libere, concentraţia electronilor liberi n0 fiind egală cu concentraţia golurilor libere p0:

n0 = p0 = ni

Pentru a obţine un semiconductor extrinsec de tip n se introduc într-un semiconductor pur impurităţi donoare ( donori ) adică, atomi cu valenţa V precum fosfor (P) sau arseniu (As).

Ed – energia de ionizare

Nd – concentraţia donorilor

Donorii dau nivele energetice mai apropiate de banda de conducţie, electronii putând fi uşor transportaţi de pe un astfel de nivel pe banda de conducţie.

Trecerea electronilor de pe nivelul donor în banda de conducţie poartă numele de excitare (generare) termică extrinsecă a electronilor. Poate avea loc şi procesul invers de trecere a electronilor din banda cde conducţie pe nivelul donor, proces denumit recombinarea electronilor pe nivelul donor.

Pentru a obţine un semiconductor extrinsec de tip p se introduc într-un semiconductor pur impurităţi acceptoare ( acceptori) adică, atomi cu valenţa III precum bor (B) sau galiu (Ga) . Joncţiunea p-n reprezintă zona de trecere ( contact) care se formează într-un cristal semiconductor, la care o parte conţine impurităţi acceptoare ( tip n) iar cealaltă impurităţi donoare (tip p). Ea are o lărgime l = 10-4….10-5 cm.

IV. Obtinerea performantelor (45 min)

Pentru a înţelege cum lucrează o joncţiune p-n, să ne imaginăm că dopăm un semiconductor cu atomi donori şi altul cu atomi acceptoriAducem împreună cei doi semiconductori astfel obţinuţi: unul de tipn, altul de tip p. Electronii liberi din regiunea n difuzează în regiunea p, iar golurile din regiunea p difuzează în regiunea n, la aceste deplasări participând în primul rând purtătorii mobili din imediata vecinătate a joncţiunii. Ca rezultat, electronii liberi şi golurile de lângă joncţiune tind să se “mănânce” unii pe alţii, producând o regiune liberă de orice sarcină în mişcare. Această zonă se numeşte zona de epuizare.În regiunea p, plecând golurile şi sosind electroni, aceştia sunt captaţi de atomii acceptori ionizându-i negativ şi deci se formează o sarcină spaţială negativă. Analog, în regiunea n plecând electroni şi sosind goluri, aceştia ionizează pozitiv atomii donori şi deci apare o sarcină spaţială pozitivă. Prin urmare, de o parte şi de alta apar două zone foarte înguste cu sarcini electrice de semne contrare numită zonă de trecere ( strat de baraj sau joncţiune pn), iar câmpul electric, orientat dinspre regiunea n spre regiunea p şi numit câmp de contact, împiedică trecerea în continuare a purtătorilor de sarcină ( electroni şi goluri).Se creează astfel o stare de echilibru în care transportul purtătorilor majoritari, electroni şi goluri, încetează. În planul joncţiunii apare o barieră de potanţial Ub.Purtătorii de sarcină minoritari ( golurile din regiunea n şi electronii din regiunea p) sunt acceleraţi în sens opus deplasării purtătorilor majoritari. La echilibru termic şi în absenţa polarizării curentul determinat de fluxul purtătorilor majoritari, trebuie să fie egal cu cel al purtătorilor minoritari, adică:

Joncţiunea pn are calităţi redresoare. Astfel aplicând o tensiune continuă cu :- polaritate directă (polul plus la regiunea p şi polul minus la regiunea n), prin joncţiune trece un curent electric a cărui intensitate creşte cu creşterea tensiunii aplicate, deoarece rezistenţa electrică este mică (Rj = 10 Ω);- polaritate inversă, practic nu trece curent deoarece are loc o lărgire a stratului de baraj care capătă o rezistenţă electrică foarte mare (Rj = 104...105 Ω); în acest caz se spune că dioda este blocată.

+-

E

Profesorul : propune sa gaseasca deosebirile si asemanarile dintre imaginile de pe plansa

Elevii: Fig1 Prin aplicarea câmpului exterior în sens direct are loc o micşorare a duferenţei de potenţial (barierei) dintre cele două regiuni, deoarece câmpul extern are sens invers câmpului de baraj, ceea ce înlesneşte mişcarea purtătorilor majoritari. În felul acesta, la polarizare directă curentul electric trece prin diodă. Fig 2 Când dioda este polarizată invers, câmpul extern aplicat având acelaşi sens cu câmpul de baraj, mişcarea purtătorilor majoritari este împiedicată. În acest caz, curentul ce străbate dioda, format numai din purtători minoritari, este extrem de slab ( de ordinul mA la dioda cu Si şi de ordinul μA la cea cu Ge), aşa încât îl putem considera practic nul. Spunem că la polarizarea inversă dioda nu conduce curentul electric.

Trasarea experimentală a caracteristicilor diodei semiconductoare

U

Ub

Ub-U

la echilibruTensiun

e directa

Materiale necesare:

diodă semiconductoare;

resistor (cel puţin 10 Ω)

sursă : 0 – 12 V c.c.

conductori de legătură;

voltmetru, ampermetru;

reostat.

V. Evaluarea performantelor(30min)Profesorul: cere elevilor sa numeasca domeniile de aplicare a semiconductorilor in tehnicaCere elevilor sa formuleze concluziile obtinute Elevii: Indica pe foile repartizate de profesor scheme unde prezinta utilizarea si importanta semiconductorilor . Caracteristicile lor. Clasificarea semiconductorilor