На чтение: ≈ 16 мин.Все актуальнее становится использование на уроках информационно-коммуникационных технологий. На компьютерных дисках выпускаются целые 45-минутные уроки. Роль учителя сводится к простому демонстратору. Я считаю, что это неправильно. Слово учителя обязательно должно присутствовать на уроке. Видеосюжеты должны дополнять урок, но отнюдь не заменять его. Этот урок – попытка совместить новые технологии с традиционной формой урока.
Полностью публикация приведена в формате PDF:Скачать/Просмотреть(Для просмотра необходима программа Adobe Reader или ее произвольный аналог).
Цель: повторить типы проводимости в полупроводниках, познакомиться с принципом работы полупроводникового диода, показать многообразие применения различных диодов.
Оборудование: компьютер, мультидиапроектор, диск, ИПД, ключи, миллиамперметры, вольтметры, выпрямительные диоды, провода, различные типы диодов.
Ход урока
Просмотр анимации «Электродинамика. Образование и движение дырок в полупроводниках при двух температурах».
Учитель: Основным элементом современных выпрямителей переменного тока являются полупроводниковые диоды. Приставка «ди» в слове «диод» означает «два», она указывает, что в приборе имеются две основные «детали», два тесно примыкающих один к другому полупроводниковых кристалла: один с р-проводимостью, другой с n-проводимостью. Фактически же полупроводниковый диод – это один кристалл, в одну часть которого введена донорная примесь (зона n), в другую – акцепторная (зона р). К зоне р и к зоне n тем или иным способом присоединены проводники, выводы диода, с помощью которых он соединяется с внешним миром, включается в электрическую цепь. Помимо свободных зарядов, в полупроводниках с примесями есть и неподвижные зоны – в зоне n это неподвижные положительные ионы донора, например, мышьяка, в зоне р – неподвижные ионы акцептора, например, индия. В нормальном состоянии полупроводник нейтрален, число свободных зарядов и неподвижных ионов, число «плюсов» и «минусов» одинаково. Но как только первые электроны покинут зону n, она окажется наэлектризованной, в ней начнет действовать суммарный положительный заряд лишних ионов. И эти ионы начнут тянуть свободные электроны обратно, мешать их движению в сторону границы. Точно так же отрицательные ионы будут мешать свободным дыркам уходить из зоны р. В итоге между зонами будет существовать очень узкая пограничная зона, отделяющая область свободных положительных зарядов от области свободных электронов.
Слайд №1
Эта пограничная зона называется р-n-переход. С событиями в р-n-переходе связана работа всех полупроводниковых приборов, в частности диодов.
Просмотр анимации «Молекулярная физика и термодинамика. Формирование р-n-перехода».
Просмотр анимации «Электродинамика. Р-n-переход в диоде».
Учитель: Если от батареи подвести к диоду постоянное напряжение «плюсом» к зоне р и «минусом» к зоне n, то свободные заряды – электроны и дырки хлынут к границе, устремятся к р-n-переходу. Здесь они будут нейтрализовать друг друга, к границе будут подходить новые заряды, и в цепи диода установится постоянный ток. Это прямое включение диода.
Слайд №2
Теперь сменим полярность напряжения на диоде. Свободные заряды мгновенно оттянутся от границы. Электроны отойдут к «плюсу», дырки – к «минусу», и в итоге р-n-переход превратится в чистый изолятор.
Ученики собирают по схеме цепь с диодом.
Учитель: Как видите, здесь происходит как бы разрыв цепи, и ток в ней прекратится.
Слайд №3
Правда, небольшой обратный ток все же будет идти. Это происходит потому, что, кроме основных свободных элементов – электронов, в зоне n и дырок в зоне р есть еще и ничтожное количество зарядов обратного знака. Это собственные неосновные носители заряда, они существуют в любом полупроводнике, появляются в нем из-за тепловых движений атомов, и именно они создают обратный ток через диод. Зарядов этих сравнительно мало, и обратный ток во много раз меньше прямого.
Слайд №4
Ток этот зависит от температуры – при нагревании полупроводника число неосновных носителей увеличивается.
По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными или точечными (даются определения).
Важные параметры диода:
1. Допустимое обратное напряжение. При некотором обратном напряжении, превышающем Uобр. доп., обратный ток резко возрастает. Это происходит быстрое лавинообразное разрушение структуры полупроводника, и диод выходит из строя: либо разрыв, отгорание контактов внутри прибора, либо короткое их замыкание, превращающее диод в обычный проводник.
2. Допустимый прямой ток I доп. Проходя через диод, прямой ток выделяет в нем некоторую тепловую энергию, нагревает прибор. А нагревание очень опасно для полупроводниковых материалов, оно увеличивает количество неосновных носителей заряда. Вот почему приходится ограничивать величину прямого тока и рабочую температуру полупроводниковых диодов. Для германиевых диодов предельная рабочая температура +600С, а для кремниевых она выше – до +1500С.
3. Прямое и обратное сопротивление. На этом параметре основана проверка диодов омметром. В прямом включении от нескольких Ом до десятков Ом, в обратном включении – сотни Ом и даже несколько мегаом. Во всех случаях прямое сопротивление во много раз меньше обратного, и в этом состоит односторонняя проводимость диода.
Слайд №5
До сих пор мы подводили к диоду постоянное напряжение, теперь попробуем подвести переменное. Посмотрим, что из этого произойдет. Работу диода как выпрямителя можно проиллюстрировать графиками.
Слайд №6
При положительных полупериодах переменного напряжения диод открывается, и через него, а значит, и во всей цепи, в которую он включен, течет прямой ток Iпр. При отрицательных полупериодах диод закрывается, и в цепи течет незначительный обратный ток диода Iобр. Диод как бы срезает большую часть переменного тока во время отрицательных полупериодов (штриховые линии). В результате в цепи, в которую включен диод, течет уже не переменный, а пульсирующий ток одного направления, но изменяющийся по абсолютной величине с частотой переменного тока.
Просмотр видеофрагмента «Электродинамика. Диод обрезает половину синусоиды на экране осциллографа».
Учитель: Изображают полупроводниковый диод на электрической схеме в виде треугольника и отрезка, проведенного через одну из его вершин параллельно противолежащей стороне.
Учитель рисует вместе с учениками рис. 1.
При этом простейшая схема однополупериодного выпрямителя будет выглядеть так, как показано на слайде.
Слайд №7
В двухполупериодной схеме выпрямление осуществляется четырьмя диодами, включенными в цепь переменного тока. Во время положительного полупериода работает только парад диодов VD1 и VD2, во время отрицательного полупериода работает другая пара диодов. Выходное напряжение пульсирует с частотой 100 Гц.
Слайд №8
На выходе одно- и двухполупериодного выпрямителей существует постоянное по знаку, но меняющееся по величине пульсирующее напряжение с частотой 50 Гц и 100 Гц. Для питания электронных схем подобное напряжение непригодно. Если, например, подключить к нему транзисторный приемник, то в громкоговорителе будет слышен сильный гул с соответствующей частотой, забивающей полезный сигнал принимаемой станции. Поэтому все выпрямители, являющиеся вторичными источниками радиоприемников, телевизоров, осциллографов, ЭВМ и другой электронной аппаратуры, имеют сглаживающие фильтры, предназначенные для уменьшения пульсаций до допустимой величины. Сглаживающие фильтры имеют в качестве основных элементов конденсаторы, катушки индуктивности с сердечником (дроссели) и резисторы.
Но этим не исчерпан весь список «профессий» диода. Используется не только его односторонняя проводимость, но и иные свойства. В зависимости от назначения диода его обозначение на схеме может содержать дополнительные символы. В любом случае острая вершина треугольника указывает на направление протекания прямого тока через диод. Треугольник соответствует р-зоне (это анод, или эмиттер), а отрезок – n-зоне (катод, или база).
Туннельный диод. Этот диод генерирует высокочастотные колебания, здесь благодаря тонким физическим процессам в р-n-переходе (туннельный эффект) у диода при определенном режиме появляется так называемое отрицательное сопротивление: диод не отбирает энергию, а как бы отдает ее в ту цепь, куда включен.
Слайд №9
Светоизлучающий диод. При прохождении прямого тока диод начинает излучать свет, причем цвет можно менять, внося в него различные примеси. Это излучение используется для индикации.
Слайд №10
Стабилитрон и стабистор. Эти диоды используются для стабилизации напряжения на нагрузке. В стабилитронах используется участок обратной ветви вольт-амперной характеристики. С помощью них стабилизируют напряжения примерно от 3,5 В и выше. Для стабилизации напряжения порядка
1 В применяют стабисторы. У них используется не обратная, а прямая ветвь характеристики. Поэтому их включают не в обратном, как стабилитроны, а в прямом направлении.
Слайд №11
Варикап. В этих диодах используется зависимость емкости от значения приложенного обратного напряжения, и они предназначены для применения в качестве элементов с электрически управляемой емкостью.
Слайд №12
Особую группу диодов составляют тиристоры, имеющие два электронно-дырочных перехода. В зависимости от числа наружных выводов различают динистор и тринистор.
Динистор. Напряжение для включения динисторов составляет сотни вольт. В открытом состоянии динистор находится до тех пор, пока через него протекает ток, не меньший, чем ток удержания Iуд. Для перевода динистора из открытого состояния в закрытое следует уменьшить напряжение внешнего источника до 1В или вовсе его отключить.
Учитель рисует вместе с учениками рис. 2.
Тринистор. Благодаря третьему управляющему электроду тринистор можно открывать при напряжениях, меньших чем Uвкл. Для этого нужно на управляющий электрод тринистора подать короткий (несколько микросекунд) управляющий импульс положительной (если УЭ на р-зоне) или отрицательной (если УЭ на n-зоне) полярности.
Учитель рисует вместе с учениками рис. 3
Маркировка диодов. До 1964 года все диоды обозначались буквой Д, за которой стояла цифра, указывающая тип прибора. Точечные германиевые диоды обозначались цифрой от 1 до 100, точечные кремниевые – от 101 до 200, плоскостные германиевые – от 201 до 300 и плоскостные кремниевые – от 301 до 400. В системе обозначений, введенной после 1964 года, первая буква Г или цифра 1 – германиевые или его соединения, К или цифра 2 – кремниевые, А или 3 – соединения галлия. Назначение диодов указывает вторая буква: Д – выпрямительный, С – стабилитрон, В – варикап, У – тринистор. После этих букв идут цифры, обозначающие значение прямого тока. Цифра 1 означает, что диод имеет прямой ток до 0,3А, цифра 2 – что сила тока находится в пределах от 0,3А до 10А. Характеристики диода уточняют в специальных таблицах. Например, КД208А. Это означает, что это кремниевый диод, выпрямительный, рассчитанный на прямой ток от 0,3 до 10 А, номер разработки 08, группа; в таблице находим, что допустимое обратное напряжение 100 В, допустимый прямой ток, это низкочастотный диод. На принципиальных схемах диоды обозначают VD.
Преимущества полупроводникового диода: малые габариты и не потребляют энергии.
Недостатки: обратный ток, ограниченный интервал и разбросанность параметров.
Сергей МАКАРОВ, учитель физики, информатики и технологии Кривчиковской средней школы, Орловская область
012
Выбор читателей
Комментарии