Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність
👩🏫Методичні акценти для вчителя • План проведення уроку на 45 хвНУШ▼
🎯 Очікувані результати навчання (НУШ):
Формування предметних компетентностей за темою «Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність», розвиток критичного мислення, вміння аналізувати причинно-наслідкові зв'язки та застосовувати набуті знання на практиці.
💬 Провокативне питання для старту:
Використайте блок «Гачок (Hook)» нижче для 2-хвилинної розминки з класом перед поясненням нового матеріалу.
⏱️ Рекомендований таймінг 45-хвилинного уроку:
Тема: Розділ 1. Електричний струм у різних середовищах • с. 51. Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність. Д/з: опрацювати матеріал уроку та завдання «У зошит» на платформі EZZ-SCHOOL BOOKS.
⚡ Фронтальне бліц-опитування класу на початку уроку (2 хв):
- Що є ключовим поняттям теми «Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність» і чому воно важливе?
- Де у повсякденному житті, науці чи IT ми стикаємося з цим явищем/алгоритмом?
- Яка найпоширеніша помилка виникає під час першого знайомства з матеріалом?
🏠 Диференційоване домашнє завдання:
- Базовий рівень (обов'язковий): опрацювати конспект і блок «У зошит».
- Достатній рівень: скласти власну шпаргалку та пройти MiniCheck.
- Високий / STEM: виконати симуляцію у лабораторії та скласти BossQuiz на 100 XP.
📊 Критерії формувального оцінювання:
Твоя місія на цей урок
Натискай на цілі у міру їх опанування:
- 1З’ясувати, чим напівпровідники відрізняються від провідників та діелектриків за питомим опором.Опанувати ➔
- 2Зрозуміти ковалентну будову кристалічної ґратки кремнію (Si) та германію (Ge).Опанувати ➔
- 3Опанувати механізм утворення пари «вільний електрон — дірка».Опанувати ➔
- 4Пояснити власну провідність напівпровідників та принцип дії терморезисторів і фоторезисторів.Опанувати ➔
📱 Чому метал при нагріванні проводить струм гірше, а напівпровідник кремній — у сотні разів краще?
У металів із підвищенням температури опір зростає. Але візьміть шматочок чистого кремнію чи германію: нагрійте його або посвітіть ліхтариком — і його електричний опір миттєво обвалиться в тисячі разів! Цей дивовижний парадокс лежить в основі всієї сучасної мікроелектроніки, комп’ютерів та смартфонів.
1. Що таке напівпровідники? Класифікація та будова кристала
За здатністю проводити електричний струм усі тверді тіла поділяють на три класи залежно від їхнього питомого опору:
- Провідники (метали): ρ ~ 10⁻⁸ - 10⁻⁶ Ом·м (величезна кількість вільних електронів);
- Напівпровідники: ρ ~ 10⁻⁵ - 10^8 Ом·м (проміжне значення, чутливе до температури й світла);
- Діелектрики (ізолятори): ρ > 10^8 - 10¹⁶ Ом·м (валентні електрони міцно зв'язані).
Типовими представниками напівпровідників є хімічні елементи IV групи Періодичної системи: кремній (Si) та германій (Ge), а також селен (Se), телур (Te) та сполуки типу GaAs (арсенід галію).
Кожен атом кремнію має 4 валентні електрони. У кристалічній ґратці кремнію кожен атом оточений 4 сусідніми атомами, з кожним із яких утворює спільну електронну пару — ковалентний зв'язок. За температури 0 К (-273,15 °C) усі валентні електрони міцно зайняті у зв'язках, вільних носіїв немає — чистий кремній є ідеальним діелектриком!
2. Власна провідність: виникнення пари «електрон — дірка»
При підвищенні температури кристала або його освітленні енергія теплових коливань ґратки зростає. Частина ковалентних зв'язків розривається, і валентні електрони вириваються зі своїх зв'язків, стаючи вільними електронами провідності.
На місці відірваного електрона в ковалентному зв'язку залишається вільне вакантне місце з некомпенсованим позитивним зарядом ядра атома кремнію. Цю вакансію у фізиці напівпровідників називають діркою. Дірка поводиться як повноцінна позитивно заряджена квазічастинка з зарядом +e = +1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.
Механізм руху дірки:
Під дією зовнішнього поля сусідній зв'язаний електрон перескакує на вакантне місце (дірку), відновлюючи попередній зв'язок. Але на старому місці цього електрона з'являється нова вакансія! У результаті дірка переміщується в напрямку електричного поля, тоді як електрони рухаються проти поля.
Провідність чистих напівпровідників, зумовлену розривом власних зв'язків кристала, називають власною провідністю. У чистому напівпровіднику кількість вільних електронів строго дорівнює кількості дірок: n_e = n_p = n_i Тому струм у чистих напівпровідниках складається з двох компонент: електронної та діркової.
Як змінюється опір чистого напівпровідника при підвищенні температури?
3. Головний парадокс: Метали проти Напівпровідників при нагріванні
Метали (R зростає при нагріванні)
Концентрація електронів незмінна (n = const). Нагрівання лише посилює коливання ґратки, збільшуючи опір: R = R_0(1 + α t), де α > 0.
Напівпровідники (R різко спадає при нагріванні)
Хоча коливання ґратки теж зростають, головним чинником є лавиноподібне народження нових носіїв (електронів і дірок). Опір падає в десятки тисяч разів! Температурний коефіцієнт опору від'ємний (lpha < 0).
Застосування власної провідності в сучасних гаджетах:
- Терморезистори (термістори): напівпровідникові прилади з величезною чутливістю до температури. Використовуються для контролю нагріву батарей смартфонів, процесорів ноутбуків і в цифрових медичних термометрах.
- Фоторезистори: напівпровідники, опір яких різко падає при освітленні світлом (внутрішній фотоефект). Застосовуються в датчиках автоматичного ввімкнення вуличного освітлення, сонячних реле, системах авторегулювання яскравості екранів та турнікетах метро.
Шпаргалка до § 7: Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність
Усе найважливіше для повторення перед уроком або самостійною роботою
💎 Кристал Si
Чотиривалентний атом з міцними ковалентними зв'язками.
⚡ Пара носіїв
Вільний електрон (-e) та вакансія-дірка (+e). Їхня кількість однакова: ne = nh.
📉 Опір і T
При нагріванні та освітленні опір напівпровідника різко падає (експоненційно).
🎛️ Застосування
Терморезистори (датчики температури), фоторезистори (датчики освітлення).
Самоперевірка (картки знань)
Натискай для перевороту (або Пробіл / ◀ ▶ на клавіатурі)
У зошит (за підручником)
Вправи з підручника «Фізика 9 клас (Бар'яхтар, Довгий та ін., Ранок 2026)», § 7, с. 51. Виконуй у робочий зошит або за комп'ютером за вказівкою вчителя:
Порівняння температурних графіків металів і напівпровідників
💡 Підказка від нас: Графік металу йде вгору (додатний температурний коефіцієнт), графік напівпровідника круто спадає вниз (від’ємний коефіцієнт).
Пояснення виникнення діркової провідності
💡 Підказка від нас: Дірка не є новою фізичною частинкою — це естафетний перехід зв'язаних електронів на сусідні вакантні місця, що сприймається як рух плюса.
Розрахунок опору фоторезистора при освітленні
💡 Підказка від нас: У темряві опір сягає мегаомів (струм майже нульовий), при освітленні падає до кількох сотень омів, замикаючи реле.
Бос-тест до § 7: Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність
Питання 1 з 3 • Завдай удару по босу теми