Домішкова провідність напівпровідників. Електронно-дірковий перехід
👩🏫Методичні акценти для вчителя • План проведення уроку на 45 хвНУШ▼
🎯 Очікувані результати навчання (НУШ):
Формування предметних компетентностей за темою «Домішкова провідність напівпровідників. Електронно-дірковий перехід», 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. 56. Домішкова провідність напівпровідників. Електронно-дірковий перехід. 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 «Домішкова провідність напівпровідників. Електронно-дірковий перехід» 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:
- 1Зрозуміти принцип домішкової провідності: донорна та акцепторна домішки.Опанувати ➔
- 2Розрізнити напівпровідники n-типу (електронні) та p-типу (діркові).Опанувати ➔
- 3Опанувати будову p-n переходу, утворення запірного шару та дифузію носіїв.Опанувати ➔
- 4Вивчити пряме та зворотне включення напівпровідникового діода та роботу світлодіода (LED).Опанувати ➔
💡 Як один атом домішки на мільйон атомів кремнію керує роботою всього смартфона?
Чистий кремній має надто малу провідність для мікросхем. Але якщо додати мізерну дрібку фосфору або бору, провідність зростає в мільйон разів! А якщо з’єднати два таких різних шари, виникає p-n перехід — магічний «односторонній клапан» електроніки, без якого не працював би жоден сучасний процесор.
1. Легування напівпровідників: домішкова провідність n-типу та p-типу
Власна провідність чистого кремнію дуже мала. Але якщо ввести в кремній крихітну дозу спеціальних хімічних домішок (лише 1 атом домішки на мільйон атомів кремнію!), його електропровідність зростає в сотні тисяч разів! Процес введення домішок називають легуванням.
1. Донаторна домішка (n-тип, negative)
Вводять елементи V групи (фосфор P, арсен As, стибій Sb). Атом фосфору має 5 валентних електронів: 4 утворюють ковалентні зв'язки з сусідніми атомами кремнію, а п'ятий електрон є зайвим. Він слабо зв'язаний з атомом і легко відривається навіть за кімнатної температури.
• Основні носії заряду: електрони (n_e ≫ n_p);
• Неосновні носії: поодинокі власні дірки;
• Атоми домішки стають нерухомими позитивними йонами.
2. Акцепторна домішка (p-тип, positive)
Вводять елементи III групи (бор B, індій In, галій Ga, алюміній Al). Атом бору має лише 3 валентні електрони: для утворення четвертого ковалентного зв'язку з кремнієм бракує одного електрона, тому він захоплює електрон від сусіднього атома кремнію.
• Основні носії заряду: дірки (n_p ≫ n_e);
• Неосновні носії: поодинокі власні електрони;
• Атоми домішки стають нерухомими негативними йонами.
2. Електронно-дірковий перехід (p-n перехід) та його запірний шар
Якщо в єдиному кристалі кремнію створити контакт двох областей з різними типами провідності (p-області та n-області), утворюється електронно-дірковий перехід (p-n перехід).
Через різницю концентрацій виникає взаємна дифузія: електрони з n-області дифундують у p-область, а дірки з p-області — в n-область, де вони рекомбінують. У приконтактній зоні з боку n-напівпровідника залишаються нескомпенсовані позитивні йони донорів, а з боку p-напівпровідника — негативні йони акцепторів.
Утворення запірного шару:
Ці нерухомі йони утворюють збіднену носіями зону — запірний шар, який створює внутрішнє електричне поле E_вн, напрямлене від n до p. Внутрішнє поле зупиняє подальшу дифузію основних носіїв, встановлюючи динамічну рівновагу (контактна різниця потенціалів ~ 0,6 - 0,7 В для кремнію).
Пряме ввімкнення (+ до p, - до n)
Зовнішнє поле спрямоване проти внутрішнього запірного поля. Запірний шар різко звужується, електрони й дірки масово рухаються через перехід — виникає великий прямий струм!
Зворотне ввімкнення (+ до n, - до p)
Зовнішнє поле підсилює внутрішнє поле. Запірний шар розширюється, основні носії відтягуються від межі — струм створюють лише мізерні неосновні носії (мікроампери). Струм практично дорівнює нулю!
Як потрібно підключити p-n перехід до джерела струму, щоб крізь нього протікав прямий струм?
3. Прилади на основі p-n переходу: Діоди, Світлодіоди (LED), Сонячні елементи та Транзистори
1. Напівпровідниковий діод
Має ідеальну односторонню провідність, мініатюрні розміри, не потребує розжарювання нитки й служить десятки років. Застосовується для випрямлення змінного струму в блоках живлення смартфонів і комп'ютерів.
2. Світлодіод (LED)
При прямому протіканні струму вільні електрони рекомбінують з дірками. Вивільнена енергія безпосередньо випромінюється у вигляді квантів світла (фотонів). ККД перевищує 85% — енергоощадні лампи, екрани OLED і автомобільні фари.
3. Сонячний елемент (фотоелемент)
При падінні квантів світла на область p-n переходу світло вибиває електрони, розділяючи заряди внутрішнім запірним полем. Виникає фото-ЕРС без будь-якого зовнішнього джерела живлення! Основа сонячних електростанцій (СЕС).
4. Транзистор (серце комп'ютерів)
Винайдений у 1947 році (Бардін, Браттейн, Шоклі). Має структуру p-n-p або n-p-n (або польовий MOSFET). Дозволяє надшвидко підсилювати та комутувати електричні сигнали. Сучасний процесор смартфона (Apple A18 чи Snapdragon) містить понад 20 мільярдів нанотранзисторів на кремнієвому чипі!
Шпаргалка до § 8: Домішкова провідність напівпровідників. Електронно-дірковий перехід
Усе найважливіше для повторення перед уроком або самостійною роботою
🟢 n-тип (донор)
Домішка V групи (фосфор). Основні носії: вільні електрони.
🔵 p-тип (акцептор)
Домішка III групи (бор). Основні носії: дірки.
🚪 p-n перехід
Має односторонню провідність: пряме підключення відкриває струм, зворотне замикає.
💡 Світлодіод (LED)
Випромінює світло під час рекомбінації носіїв при прямому струмі.
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)», § 8, с. 56. Виконуй у робочий зошит або за комп'ютером за вказівкою вчителя:
Визначення типу провідності кремнію з домішками
💡 Підказка від нас: Фосфор (V група) утворює n-тип; індій (III група) утворює p-тип.
Аналіз схеми однопівперіодного випрямляча на діоді
💡 Підказка від нас: Діод зрізає одну половину синусоїди змінного струму, пропускаючи лише позитивні півхвилі.
Розрахунок робочого струму світлодіода
💡 Підказка від нас: Застосуй закон Ома для ділянки кола: I = (U_джерела - U_діода) / R_резистора (де падіння на діоді зазвичай ~2-3 В).
Бос-тест до § 8: Домішкова провідність напівпровідників. Електронно-дірковий перехід
Питання 1 з 3 • Завдай удару по босу теми