Жартылай өткізгіштердің сипаттамалары
Қазақстан Республикасы Ғылым және жоғары білім министрлігі
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика-техникалық факультеті
Плазма физикасы, нанотехнология және компьютерлік физика кафедрасы
МАГИСТЕРЛІК ДИССЕРТАЦИЯ
тақырыбы: Орта мектептегі "Жартылай өткізгіштердегі электр тогы" тақырыбын оқыту әдістемесінің ерекшеліктерін зерттеу
7М01501 - Физика (білім беру)
Орындаған:_________________________ _______________Малдыбай Б.С.
(қолы)
Ғылыми жетекші: ф.-м.ғ.к., аға оқытушы_______________Амренова А.У.
(қолы)
Қорғауға жіберілді:
Хаттама №___ , ____ ______________20___ж.
Кафедра меңгерушісі________________________ _________Коданова С.К.
(қолы, мөрі)
Нормобақылау_______________________ ________________Кенжебекова А.И.
(қолы)
Алматы, 2023 ж.
ТҮЙІНДЕМЕ
Жұмыстың көлемі - 2 бөлімнен, 60 беттен, 7 суреттен, 2 кестеден, қорытынды бөлімнен және пайдаланылған әдебиеттер тізімінен тұрады.
Зерттеу объектісі: Орта мектептегі физика пәнін оқыту процесі.
Зерттеу әдістері: оқытуда қолданылатын инновациялық оқыту әдістері (проблемалық оқыту әдісі, төңкерілген сынып оқыту әдісі, сауалнама).
Қолдану саласы: орта білім беру орындары.
Жұмыстың жаңашылдығы: Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбы орта мектептегі физика курсындағы негізгі тақырыптардың бірі болып табылады, бұл оқушылардың көпшілігіне қиындық туғызады. Зерттеу барысында анықталған мәселелердің шешімін тауып, білім сапасын арттыру мақсатында тиімділігі жоғары оқыту әдістерін қолданысқа енгізуге бағытталуы.
Жұмыстың мақсаты: Оқушылардың білімі мен іскерлігінің қажетті деңгейін қалыптастыруды қамтамасыз ететін, орта мектептегі Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқыту ерекшеліктерін зерттеу және негіздеу.
Осы мақсатқа жету үшін келесі міндеттер қойылды:
- Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбы бойынша оқушылардың білім деңгейін талдау;
- Осы тақырыпты оқытудың қолданыстағы әдістерін зерттеу;
- Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытудың өзіндік тиімді әдістемесін қарастыру;
- Қарастырылған оқыту әдістерінің тиімділігіне пилоттық зерттеу жүргізу.
Зерттеу әдістері
Тапсырмаларды шешу үшін келесі әдістер қолданылды:
- ғылыми әдебиеттерді талдау;
- пилоттық зерттеу;
- Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытудың әртүрлі әдістерін салыстырмалы талдау.
Тақырыпты оқытуда қолданылатын тиімді әдіс ұсынылды, ол келесі мазмұнды қамтиды:
- Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбы бойынша оқушылардың ойларын анықтау және жиі кездесетін қателерді анықтау;
- Тақырыпты нақты қосымшалар мысалында оқу қажеттілігін көрсету;
- Тәжірибе жүргізу, тәжірибе нәтижелерін түсіндіру және пікірталас жүргізу арқылы жартылай өткізгіштердің қасиеттерін зерттеу;
- Алған білімдерін қорытындылау, бекіту.
РЕЗЮМЕ
Магистерская работа состоит из 2 глав, содержит 60 страниц, 7 рисунков, 2 таблицы, заключения и список использованной литературы.
Объект исследования: Процесс обучения физике в общеобразовательной школе.
Методы исследования: инновационные методы обучения, используемые в обучении (проблемный метод обучения, метод обучения в перевернутом сыныпе, опрос).
Область применения: места среднего образования.
Инновация работы: Тема Электрический ток в полупроводниках является одной из основных тем школьного курса физики, которая является сложной задачей для большинства учащихся. Ориентация на внедрение высокоэффективных методов обучения в целях повышения качества образования и решения проблем, выявленных в ходе исследования.
Цель работы: изучить и обосновать особенности преподавания темы Электрический ток в полупроводниках в вузе, обеспечивающие формирование необходимого уровня знаний и предприимчивости студентов.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
- Анализ уровня знаний студентов по теме Электрический ток в полупроводниках;
- изучение существующих методов преподавания данной темы;
- Рассмотрение эффективной методики преподавания темы Электрический ток в полупроводниках;
- Проведение пилотного исследования эффективности рассматриваемых методов обучения.
Методы исследования
Для решения задач использовались следующие методы:
- анализ научной литературы;
- обучение пилота;
- Сравнительный анализ различных методик преподавания Электрический ток в полупроводниках.
Разработана новая методика преподавания темы, которая включает следующие этапы:
- определить мысли учащихся по теме Электрический ток в полупроводниках и выявить распространенные ошибки;
- продемонстрировать необходимость изучения темы на примерах конкретных приложений;
- изучение свойств полупроводников путем проведения экспериментов, объяснения результатов опытов и проведения дискуссий;
- Обобщение и подтверждение полученных знаний.
ABSTRACT
The volume of work consists of 2 parts, 60 pages, 7 figures, 2 tables, conclusions and a list of references.
Object of study: The process of teaching physics in a secondary school.
Research methods: innovative teaching methods used in teaching (problem teaching method, flipped classroom teaching method, survey).
Application area: places of secondary education.
Work innovation: The topic "Electric current in semiconductors" is one of the main topics of the school physics course, which is a difficult task for most students. Focus on the introduction of highly effective teaching methods in order to improve the quality of education and solve the problems identified during the study.
Purpose of the work: to study and substantiate the features of teaching the topic "Electric current in semiconductors" at the university, providing the formation of the necessary level of knowledge and entrepreneurial spirit of students.
To achieve this goal, the following tasks were set:
- Analysis of the level of knowledge of students on the topic "Electric current in semiconductors";
- study of existing methods of teaching this topic;
- consideration of an effective methodology for teaching the topic "Electric current in semiconductors";
- conducting a pilot study on the effectiveness of the teaching methods under consideration.
Research methods
The following methods were used to solve the problems:
- analysis of scientific literature;
- pilot training;
- comparative analysis of various teaching methods "Electric current in semiconductors".
A new methodology for teaching the topic has been developed, which includes the following steps:
- identify students' thoughts on the topic "Electric current in semiconductors" and identify common mistakes;
- demonstrate the need to study the topic on examples of specific applications;
- studying the properties of semiconductors by conducting experiments, explaining the results of experiments and holding discussions;
- generalization and confirmation of the acquired knowledge.
МАЗМҰНЫ
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6
АНЫҚТАМАЛАР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
7
БЕЛГІЛЕУЛЕР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
8
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
9
1 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ ЭЛЕКТР ТОГЫ ТАҚЫРЫБЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІНІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ ... ... ... ... ... ... .. ... ...
13
1.1 Жартылай өткізгіштердің сипаттамалары. Жартылай өткізгіштердегі электр тогының негізгі заңдылықтары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
13
1.2 Орта мектепте Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытудың қолданыстағы әдістемесіне талдау ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ...
21
1.3 Орта мектепте жартылай өткізгіштерді оқытудың әлеуметтік мәселелері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
25
2 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ ЭЛЕКТР ТОГЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІНІҢ ТИІМДІЛІК СИПАТТАМАСЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
2.1 Орта мектепте жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытуда проблемалық оқыту әдісін пайдалану ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ..
31
2.2 Үй жағдайында жасауға қолайлы жартылай өткізгіш құрылғылармен тәжірибе жұмыстары ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
36
2.3 Оқушылардың мектепте жартылай өткізгіштердегі электр тогы туралы білімдерін кеңейту үшін Төңкерілген сынып әдісін қолдану ... ... ... ... ... .
41
2.4 Жартылайөткізгіштерге қатысты Ұлттық бірыңғай тестілеуде кездесетін сұрақтарды талдау ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
47
2.5 Жартылай өткізгіштердегі электр тогын оқытудың оңтайлы әдісін таңдаудың негіздемесі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
50
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
53
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... .
55
ҚОСЫМША ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
57
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР
Осы диссертацияда келесі стандарттарға сілтемелер қолданылды:
- Қазақстан Республкасының 2007 жылғы 27 шілдедегі № 319-ІІІ Білім туралы заңы (22.12.2016ж. өзгерістерімен және толықтырулармен);
- Мемлекетаралық стандарттар МЕМСТ 7.32-2001 (2006 жылғы өзгерістермен). Ғылыми-зерттеу жұмысы туралы есеп. Құрылымы мен ресімдеу ережелері;
- МЕМСТ 7.1-2003. Библиографиялық жазба. Библиографиялық сипаттама. Жалпы талаптар және құрастыру ережелері.
АНЫҚТАМАЛАР
Бұл диссертацияда сәйкес анықтамаларымен келесі терминдер қолданылады:
Ом заңы - электр тогының негізгі заңдарының бірі. Ом заңы - өткізгіштегі ток күшінің (І) осы өткізгіштің ұштары арасындағы кернеумен (U) байланысын анықтайды: U=r*Iмұндағы r өткізгіштің геометриялық өлшемдеріне, электрлік қасиеттеріне және температурасына байланысты болатын пропорционалдық коэффициенті r - омдық кедергі немесе өткізгіштің берілген бөлігінің кедергісі деп аталады.
Транзистор - электр тербелістерін күшейтуге, оларды тудыруға және түрлендіруге арналып жартылай өткізгіш кристалл негізінде жасалған электрондық құрал.
Диод - екі электродты, электр тогының бағытына байланысты әртүрлі өтімділігі бар электронды аспап.
Лайкерт шкаласы - бұл жеке адамға белгілі бір тұжырыммен қаншалықты келісетінін немесе келіспейтіндігін білдіруге мүмкіндік беретін бес (немесе жеті) баллдық шкала.
Коммутация - тізбектегі электр тогының бағытын өзгерту.
БЕЛГІЛЕУЛЕР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР
PBL - problem-based learning
STEAM - science, technology, engineering, art, math
ҰБТ - ұлттық бірыңғай тестілеу
КІРІСПЕ
Зерттеу тақырыбының өзектілігі. Жалпы физикалық білім оқушыларға өз мүмкіндіктеріне байланысты күнделікті өмірде байқалатын құбылыстарды ғылыми түсіндіру мен талқылауды қамтамасыз етуі керек. Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбы мектеп бағдарламасында жоспар бойынша сағат саны аз берілгендіктен тақырыпты жеткілікті деңгейде қамту мүмкіндігі аз. Зерттелетін материал көлемі жағынан өте үлкен. Жаңа педагогикалық және ақпараттық технологиялар негізінде жартылай өткізгіштер физикасын оқытуды ұйымдастыру бүгінгі таңда маңызды болып саналады, өйткені ғылымның дамуын сақтау үшін оқытудың түрлері мен формаларын үнемі өзгерту, дәстүрлі әдістерді толықтыру мақсатында жаңаларын іздеу қажет. Зерттеудің теориялық және практикалық тұрғыдан маңыздылығы орта мектепте физиканы оқытудың әдістемесін зерттеп, ондағы олқылықтарды талдап, тиімді әдіс-тәсілдерді ұсыну қажеттілігін көрсетеді.
Практикалық маңыздылығы. Зерттеудің теориялық және практикалық тұрғыдан маңыздылығы орта мектепте физиканы оқытудың әдістемесін зерттеп, ондағы олқылықтарды талдап, тиімді әдіс-тәсілдерді ұсыну қажеттілігін көрсетеді.
Әдебиеттерді талдау барысында, көптеген ғалымдар оқу процесіне оқытудың тиімді әдістерін енгізуге көп көңіл бөлетіні, мектептегі физика курстарында оқыту әдістемелері жасалатыны анықталды.
Жартылай өткізгіштер физикасы жартылай өткізгіштер мен интегралды микросхемалар туралы ғылымның негізі болып табылады. Дәстүрлі оқытуда аудиториялық оқыту негізінен теориялық мазмұнға негізделген және оқушылардың оқуға деген тұрақты қызығушылығын ояту қиынға соғуы мүмкін. "Жартылай өткізгіштер физикасы" курсы жартылай өткізгіш материалдарды, қатты дене физикасын, кванттық механиканы, математикалық талдауды және электронды схемаларды қамтитындықтан, кешенді курс оқушылардан математикалық негізгі білімді талап етеді. Сонымен қатар, курстың теориялық мазмұны мен тұжырымдамаларының көп бөлігі өте абстрактілі, сонымен қатар модельдің сипаттамасы және формулалардың тұжырымы, мысалы, энергетикалық аймақ құрылымы, тасымалдаушы концентрациясы, гетеротүсіру және т.б. басқаша айтқанда, курстың мазмұнын қосымша көмексіз түсіну қиын. Сонымен қатар, жартылай өткізгіштер физикасы мен олардың құрылғыларының технологиясының қарқынды дамуы қолданыстағы оқу материалдарын үнемі жаңалап отыруды талап етеді [1].
Орта мектепте Жартылай өткізгіш аспаптар физикасы әдетте дәстүрлі оқыту режимін пайдаланады. Сабақ барысында мұғалім алдымен алдыңғы сабақтың мазмұнын қарастырады, содан кейін жаңа сабақтың мазмұнын түсіндіреді. Кейінірек жаңа сабақ жаттығулар арқылы бекітіліп, үй тапсырмасы тағайындалады. Дәстүрлі оқыту моделінде жалпылама қалыптасқан оқыту әдісін қолданылады және көп жағдайда оқу бағдарламасындағы негізгі пәндердің бірі екені ескерілмей жатады. Жартылай өткізгіш аспаптар физикасы берік теориялық негізді қажет ететіндіктен; дәстүрлі оқыту режимінің әдетте оқушылардың оқуға деген қызығушылығын оятуға әсері аз болады, бұл оқушылардың курстағы қиындықтарды игеруіне ықпал етпейді [2].
"Жартылай өткізгіштер физикасы" көптеген ұғымдарды, теорияларды, формулаларды және дерексіз физикалық модельдерді қамтиды, бұл оқушылардың көпшілігінің оқуға қызығушылығын тудырмайды. Оқушылардың оқуға деген ынтасын арттыру және "Жартылай өткізгіштер физикасы" курсының оқыту сапасын жақсарту үшін зерттеушілер көп өлшемді құрылымы бар оқыту платформасын әзірлеген. Онда модульдік интеграциялық оқыту әдісі, виртуалды зертханалар және нақты уақыттағы модельдеу, сондай-ақ аппараттық және өндірістік жабдықтары бар ашық зертханалар идеясы ұсынылған. Бұл оқыту режимі оқушылардың оқу бастамасын, инженерлік қабілеттерін және жартылай өткізгіш өнеркәсібіне деген құштарлығын тиімді дамытады [3].
Физика негізінен эксперименттік ғылым болғандықтан, ол демонстрациялық эксперимент пен зертханалық жаттығулар негізінде зерттеледі. Өкінішке орай, көптеген оқу орындарында оқу зертханалары мен олардың жабдықтары бүгінде сұранысқа сай емес және олардың барлығы физикалық тұрғыдан ескірген. Сондықтан физика курсы бойынша жаңа электронды оқулықтар жасау қазіргі таңда өзекті мәселелердің бірі болып табылады.
Осы мәселені алға тарта отыра, Бұхара мемлекеттік университетінің профессорлары А.Тешабоев, С.Зайнобидинов "Жартылай өткізгіштер физикасы" курсына арналған электронды оқулық жасаған. Электрондық оқулықтарды жасау кезінде MS Word, MS Front Page, MS Power Point, MS Paint, Visual Basic-6.0 бағдарламалау тілі, сондай-ақ мультимедиялық құралдар тиімді пайдаланылып, электрондық оқулықтарды жасау технологиясы қолданылған. Электронды оқулық "Мазмұны", "Зертханалық жұмыс", "Тапсырмалар", "Тест", "Анимация", "Әдебиеттер", "Авторлар" және "Қорытынды" бөлімдерінен тұрады [4].
Тек заманауи педагогикалық технологияларды қолдану ғана білім беруді өзгертуге мүмкіндік береді, ал жаңа ақпараттық технологиялар өз идеяларын барынша тиімді іске асыруға мүмкіндік береді. Сондықтан ақпараттық дәуірде білім берудің барлық түрлері мен жүйелері үшін "оқушы - ақпараттық орта - мұғалім" сұлбасына сай жаңа білім беру парадигмасына көшу қажеттілігі туындайды [5].
Оқушылардың көзқарасы бойынша физика мектептердегі ең қиын пәндердің бірі болып саналады және олар бұл тұжырымдаманы ерекше дарынды оқушылар ғана түсінеді деп санайды. Алайда, Эфиопиядан келген Аддис-Абеба университетінің профессорлары жүргізген зерттеу оқушылардың физика бойынша үлгерімін PBL көмегімен жақсартуға болатындығын көрсетеді.
Профессор Диггс, сонымен қатар, PBL әдісі оқушыларға ғылымды жақсы түсінуге мүмкіндік беретінін түсіндірді. Әртүрлі зерттеушілермен әртүрлі жағдайларда PBL әдісімен жүргізілген алдыңғы зерттеулер, сондай-ақ осы зерттеу PBL дәстүрлі оқыту әдісімен салыстырғанда таңдалған физика тақырыптарын оқытудың тиімдірек әдісі екенін дәлелдеген. Осылайша, PBL оқушылардың оқу үлгерімін арттыру үшін жақсы балама оқыту әдісі болып табылады. Бұл ретте оқушылар топтық пікірталастарда белсенді болу және өз бетінше оқытуды жүзеге асыру үшін әлеуметтік дағдыларды дамытуы керек. Оқушылар арасында сенім сезімі де болуы керек. Жоғарыда аталған талқылау мен зерттеу нәтижелері негізінде эксперименттік және тәжірибелік мәселелерді шешу дағдылары салыстыру тобында айтарлықтай өсті деген тұжырым жасалған. Бірақ екі топтың да құлшынысы бірдей деңгейде көрініс тапқан [5,6].
Жартылай өткізгіштер физикасы қолданбалы физика, оптоэлектроника және микроэлектроника оқушылары үшін маңызды негізгі курс болып табылады. Зерттеушілер бастамасымен жартылай өткізгіштер физикасын оқытуда ғылыми-зерттеу реформасын жүргізілген. Біріншіден, оқытудың мазмұны ғылыми мәселелер негізінде қайта құрылған. Екіншіден, оқушылар әртүрлі ғылыми мәселелерді талқылау және бірнеше қысқа ғылыми баяндамалар ұсыну үшін топтарға бөлінген. Үшіншіден, оқушылар сабаққа дейін немесе одан кейін оқи алатын және талдай алатын микро сабақтардың бейнелері жасалған. Салыстырмалы талдау кезінде жартылай өткізгіштер физикасы бойынша оқу бағдарламасының мазмұны айтарлықтай байытылғанын анықтау жоспарланған. Сонымен қатар, оқушылардың оқуға деген құлшынысы мен ғылыми ойлау қабілеті артып, олардың инновациялық қабілеті жақсарған. Жалпы, жартылай өткізгіштер физикасы курсының оқыту сапасы салыстырмалы түрде жақсаруы мүмкін деген тұжырым жасалған [7].
Жартылай өткізгіштер физикасы жартылай өткізгіштер мен жартылай өткізгіштер туралы ғылым мен техниканың негізі болып табылады. Олар барлық электронды өнеркәсіп пен ақпараттық қоғамның негізі саналатын құрылғылар. Қарастырылған еңбекте авторлар "Жартылай өткізгіш құрылғылар физикасы" микроэлектрониканың және басқа да осыған ұқсас мамандықтардың маңызды міндетті курсы екенін ескере отырып, оқыту әдістері мен мазмұнын жақсарту қажет екенін алға тартады. Бұл жұмыста компьютерлік техниканың дамуымен жартылай өткізгіш құрылғылар физикасында автоматтандырылған оқытуды қолдану тиімділігі қарастырылған. Бұл оқушыларға түсініктерін тереңдетуге және білімді игеруге көмектесетін MATLAB бағдарламалық жасақтамасын қолдана отырып, сапалы талдау мен сандық есептеу үшін пайдалы деп көрсеткен. MATLAB бағдарламалық жасақтамасын қолдана отырып, оқушылар жартылай өткізгіштер мен құрылғылар физикасындағы көптеген мәселелерді талдап, шеше алады. Бұл мақалада MATLAB бағдарламалық жасақтамасын "Жартылай өткізгіш құрылғылар физикасы" курсында, соның ішінде жартылай өткізгіш және жартылай өткізгіш аспаптар физикасы саласында қолдану егжей-тегжейлі талқыланады. Оқыту тәжірибесінде MATLAB бағдарламасын қолдану оқытудың тиімділігі мен әдістерін тиімді арттыра алатынын, сыныптағы атмосфераны жандандырып, оқушылардың ынта-жігері мен зерттеу рухын жұмылдыра алатынын көрсетеді [8].
Оқу бағдарламасында виртуалды зертханалық құралдар бұрыннан қолданысқа енгізілген. Мұндай құралдарды оқушылар өздерінің оқу үлгерімін жақсарту және қызығушылықтарын арттыру үшін пайдаланады. Жабдықты ауыстыру мен техникалық қызмет көрсетудің жоғары құны зертханалық курсқа жаңа заттарды қосудың икемділігімен салыстырылған кезде, виртуалды зертханалық құралдар білім беру мақсаттары үшін тиімді құралға айналды. Статистика бойынша оқушылар зертханалық модульдерге дайындалуға жеткілікті уақыт жұмсамайтындықтан, оқушыларға зертханалық дағдылары мен түсініктерін жақсартуға көмектесетін жаңа әдіснамалар мен бағдарламалық жасақтама жасалған. Бұл жұмыс жартылай өткізгіштер физикасы тапсырмаларына арналған виртуалды зертханалық ортаны сипаттайды, талқылайды және бағалайды.
Бағалау кейбір оқушыларға бағдарламалық қамтамасыз етуді ұсыну және олардың нәтижелерін Бағдарламалық жасақтамаға қол жеткізе алмайтын оқушылармен салыстыру арқылы жүргізілген. Оқушыларға зертханаға барар алдында берілген бағдарламалық құрал олардың үлгерімін арттыруға көмектесті деген қорытындыға келген. Сондай-ақ, бұл құрал негізінен әлсіз оқушыларға арналғаны атап өтілді, өйткені бағалау сынақтарына сәйкес оларға негізінен шекті ұпайын алуға көмектеседі [9].
Өз кезегінде, техника мен технологияның дамуы, басқа жаратылыстану ғылымдарының дамуы мен жетістіктері физика ғылымының дамуымен тығыз байланысты. Демек, физиканың дамуы техника мен технологияның, яғни өндірістің өсуіне әкеледі. Тек жоғары технологиялар мен жабдықтары бар мемлекет өркендеп, өркендейді. Сондықтан бүгінде біздің елімізде физика ғылымын дамыту, физикалық ғылымның тиімділігін түбегейлі арттыру үлкен қажеттілік.
1 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ ЭЛЕКТР ТОГЫ ТАҚЫРЫБЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІНІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ
1.1 Жартылай өткізгіштердің сипаттамалары. Жартылай өткізгіштердегі электр тогының негізгі заңдылықтары
Электр кедергісі бойынша жартылай өткізгіштер өткізгіштер мен диэлектриктердің арасында орын алатын материалдар. Жартылай өткізгіштерге көптеген химиялық элементтер (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк және т.б.), көптеген қорытпалар мен химиялық қосылыстар кіреді.
Жартылай өткізгіштер мен металдар арасындағы сапалық айырмашылық ең алдымен меншікті кедергінің температураға тәуелділігінде көрінеді. Температураның төмендеуімен металдардың кедергісі төмендейді. Жартылай өткізгіштерде, керісінше, температураның төмендеуімен кедергі артады және абсолютті нөлге жақындағанда олар іс жүзінде оқшаулағышқа айналады.
Жартылай өткізгіштердегі электр тогы - электрондардың оң зарядқа, ал кемтіктердің теріс зарядқа бағытталған қозғалысы. Олардың электр өткізгіштігі 10-8-ден 105 смм-ге дейін ауытқиды және металдардан айырмашылығы ол температураның жоғарылауымен артады.
Электроникада жартылай өткізгіш материалдардың шектеулі саны қолданылады. Бұлар ең алдымен кремний, германий және галлий арсениді. Қоспа ретінде бор, мышьяк, фосфор сияқты бірқатар заттар қолданылады.
Электроникада қолданылатын жартылай өткізгіштердің өте тамаша кристалдық құрылымы бар. Олардың атомдары кеңістікте бір-бірінен тұрақты қашықтықта қатаң периодтық ретпен орналасып, кристалдық торды құрайды. Электроникадағы ең көп таралған жартылай өткізгіштердің торы - германий мен кремний - алмаз тәрізді құрылымға ие. Мұндай торда заттың әрбір атомы дұрыс тетраэдр төбесінде орналасқан төрт бірдей атоммен қоршалады.
Кристалл торындағы әрбір атом электрлік бейтарап болып келеді. Атомдарды тор орындарында ұстап тұратын күштер кванттық механикалық сипатта болады; олар әрекеттесетін атомдардың валенттілік электрондарымен алмасуына байланысты пайда болады. Атомдардың ұқсас байланысы коваленттік байланыс деп аталады, оны құру үшін бір жұп электрон қажет. Жартылай өткізгіштердегі электр тогы салыстырмалы түрде аз электрондардың қозғалысына байланысты. Жартылай өткізгіштерге тән бұл қасиет жартылай өткізгіштерді құрайтын атомдардың валенттік электрондары олардың атомдарымен берік байланысып, қозғала алмайтындығымен, яғни бос еместігімен түсіндіріледі. Оларды атомдардан ажырату: жартылай өткізгіштерді сыртқы жылу көзімен қыздыру нәтижесінде, ал кейбір жартылай өткізгіштер үшін оларды жарықтандыру арқылы пайда болуы мүмкін. Бұл электрондардың энергиясын арттырады және электрондардың атомдардан бөлініп, қолданылатын кернеу астында қозғалуына мүмкіндік беретін жоғары энергетикалық күйге ауысады. Өткізгіштің температурасы неғұрлым жоғары болса, электрондар соғұрлым жоғары энергия күйіне ие болады және соғұрлым олардың көп бөлігі босатылады.
Металдардан айырмашылығы, жартылай өткізгіштер кең температура диапазонында кедергінің теріс температуралық коэффициентіне ие. Яғни, өткізгіштіктің оң температуралық коэффициенті. Олар меншікті өткізгіштік мәнінің олардың құрамындағы қоспалардың түріне және мөлшеріне күшті тәуелділігімен сипатталады.
Жартылай өткізгіштердегі электр тогының заңдылықтары басқа материалдардағы заңдарға ұқсас. Дегенмен, қоспаның болуы және жолақ аралығы кейбір ерекше сипаттамаларға әкеледі. Ең маңызды екі заң: Ом заңы және Кирхгоф заңы.
Ом заңы екі нүкте арасындағы өткізгіштегі ток күші осы екі нүктедегі кернеуге тура пропорционал екенін айтады. Жартылай өткізгіште бұл тәуелділік жолақ саңылауының болуына байланысты сызықты емес. Төмен кернеулерде жартылай өткізгіш арқылы өтетін ток шамалы, бірақ кернеу жоғарылаған сайын электрондар өткізгіштік диапазонға қозып, ток оңайырақ өтуіне мүмкіндік береді. Бұл ток пен кернеу арасындағы сызықты емес қатынасқа әкеледі, ток кернеумен экспоненциалды түрде артады.
Кирхгоф заңдары түйіспеге түсетін токтардың қосындысы түйіспеден шығатын токтардың қосындысына тең, ал тұйық контурдағы кернеулердің қосындысы нөлге тең екенін айтады. Жартылай өткізгіште бұл заңдар орындалады, бірақ қоспалардың болуы ток ағынына әсер етуі мүмкін. p-типті жартылай өткізгіште саңылаулар (электронның болмауы) оң зарядты тасымалдаушы ретінде әрекет етеді, ал n-типті жартылай өткізгіште электрондар теріс заряд тасымалдаушы ретінде әрекет етеді. Бұл заряд тасымалдаушылардың концентрациясы жартылай өткізгіш арқылы өтетін токқа әсер етуі мүмкін.
Жартылай өткізгіштердің бірегей сипаттамалары бар, бұл оларды әртүрлі электронды құрылғылар үшін таптырмас материал етеді. Қоспаға байланысты олардың өткізгіштігін өзгерту мүмкіндігі және жолақ саңылауының болуы ток пен кернеу арасындағы сызықты емес қатынастарға әкеледі, ал жартылай өткізгіштердегі электр тогының заңдарына заряд тасымалдаушылардың концентрациясы әсер етеді. Жартылай өткізгіштерді одан әрі зерттеу жаңа және жетілдірілген электронды құрылғыларды жасау үшін өте маңызды.
Жартылай өткізгіштің алғашқы өнертабысы және олардың электрлік қасиеттерін қоспа арқылы басқарудағы технологиялық жетістік бүгінде ақпараттық қоғамға еніп жатқан көптеген электронды құрылғылардың негізін құрайды. Бейорганикалық жартылай өткізгішті қоспалау оның электрондық жолақтарының энергетикалық теңестіруін металл контактілерінің жолақтарына, сондай-ақ басқа легирленген басқа жартылай өткізгіштерге қатысты өзгертуге мүмкіндік береді. Дәл осы фазааралық құбылыстар, мысалы, p-n өткелдерінде немесе өрістік транзисторларда, кремний негізіндегі электроникада қолданылатын құрылғылардың көптеген функционалдығын қамтамасыз етеді. Бейорганикалық материалдарды легирлеу қоспа атомдарын жоғары таза кристалдық жартылай өткізгішке бақыланатын енгізу арқылы жүзеге асырылады. Негізгі кемтіктегі негізгі атомдармен ковалентті әрекеттесу нәтижесінде электрондық кемтік күйлер пайда болады, олар p- немесе n- үшін валенттік аймақтың немесе өткізгіштік аймағының шекарасынан бірнеше ондаған миллиэлектронвольтке жоғары немесе төмен орналасқан қоспа түрі. Барлық қолжетімді электрондық күйлер Ферми-Дирак статистикасына сәйкес орналасқандықтан, күйлердің тығыздығының бұл өзгерісі, мысалы, p-қоспа үшін, электрондық химиялық потенциалдың ығысуына әкеледі. Ферми деңгейі, ортаңғы саңылаудан төмен қарай валенттік зонаның шетіне қарай, негізінен барлық акцепторлық күйлерді бөлме температурасында электрондар алады және соның салдары ретінде валенттіліктегі жылжымалы кемтіктер тобы. n-типті қоспа да осыған толық ұқсастықта жүреді, өткізгіштік диапазонының шетіне жақын әдейі енгізілген жақын донорлық күйлермен олар бөлме температурасында толығымен иондалады, нәтижесінде оның орнына жылжымалы электрондар пайда болады. Бұл процестің өзінің жоғары тиімділігі жартылай өткізгіштің тіпті ультра төмен легирлеу коэффициенттері кезінде де күрт өсуіне әкеледі, осылайша жоғары зарядты сақтайды. Дегенмен, қоспа бейорганикалық жартылай өткізгіштердің электрлік параметрлерін қамтамасыз ететін бақылаудың жоғары деңгейіне қарамастан, дисплейлер немесе қатты күйдегі жарықтандыру сияқты оптоэлектрондық қолданбалар үшін олардың жолақ аралығын реттеу әлі де технологиялық мәселе болып қала береді. Сонымен қатар, олардың энергияны көп қажет ететін өндірісі оларды арзан, үлкен аумақтағы қолданбалары үшін тиімді етеді [11].
Майкл Фарадей 1833 жылы жартылай өткізгіштерді ашты, бірақ адамдардың көпшілігі жартылай өткізгіштер тұжырымдамасымен таныс емес еді. Г.Буш [12] бойынша, жартылай өткізгіш терминін алғаш рет 1782 жылы Алессандро Вольта қолданған. Жартылайөткізгіш эффектінің алғашқы құжатталған бақылауы күміс сульфидінің кедергісі температураға байланысты төмендейтінін байқаған Майкл Фарадейге (1833) байланысты, бұл металдарда байқалатын тәуелділіктен өзгеше [13].
Ag2S және Cu2S электр өткізгіштігінің температураға тәуелділігінің кең сандық талдауын 1851 жылы Иоганн Хитторф [12] жариялады.
Келесі бірнеше жыл ішінде жартылай өткізгіштердің тарихы екі маңызды қасиеттерге, атап айтқанда, жартылай өткізгіштердің металл-жартылай өткізгіштің түйісуін түзету және жартылай өткізгіштердің жарық сезімталдығы төңірегінде шоғырланды.
1878 жылы Эдвин Герберт Холл қатты денелердегі заряд тасымалдаушылардың магнит өрісінде ауытқуын (Холл эффектісі) ашты.
Кейінірек бұл құбылыс жартылай өткізгіштердің қасиеттерін зерттеу үшін қолданылды. Дж.Дж.Томсон электронды ашқаннан кейін көп ұзамай бірнеше ғалымдар металдардағы электрондық өткізгіштік теориясын ұсынды. Эдуард Рике (1899) теориясы ерекше қызығушылық тудырады, өйткені ол әртүрлі концентрациясы мен қозғалғыштығы бар теріс және оң заряд тасымалдаушылардың болуын болжады [12].
Шамамен 1908 жылы Карл Баедекер мыс йодидінің өткізгіштігінің стехиометрияға (йод мөлшері) тәуелділігін байқады. Ол сондай-ақ осы материалдағы Холл эффектісін өлшеген, ол оң зарядты тасымалдаушыларды көрсетті. 1914 жылы Йохан Кенигсбергер қатты материалдарды өткізгіштігі бойынша үш топқа бөлді: металдар, оқшаулағыштар және айнымалы өткізгіштер. 1928 жылы Фердинанд Блох торлардағы электрондар теориясын жасады. 1930 жылы Бернхард Гудден жартылай өткізгіштердің байқалатын қасиеттері тек қоспалардың болуына байланысты және химиялық таза жартылай өткізгіштер жоқ деп хабарлады [12].
1930 жылы Рудольф Пейерлс жолақ аралықтары түсінігін енгізді, оны Бриллуен сол жылы реалистік денелерге қолданды. Сондай-ақ 1930 жылы Крониг пен Пенни периодтық потенциалдың қарапайым аналитикалық моделін жасады. 1931 жылы Алан Вилсон бос және толтырылған энергетикалық жолақтар тұжырымдамасына негізделген қатты денелердің жолақ теориясын жасады (1-сурет).
Вильсон сонымен қатар жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі қоспалардан болатынын растады. Сол жылы Гейзенберг саңылау тұжырымдамасын жасады (бұл Рудольф Пейерлс еңбектерінде айтылған). 1938 жылы Уолтер Шоттки мен Невилл Ф.Мотт (1977 ж. Нобель сыйлығы) металл-жартылай өткізгішті өткел арқылы потенциалдық кедергі мен ток ағынының үлгілерін дербес әзірледі. Бір жылдан кейін Шоттки ғарыштық зарядтың болуын қосу арқылы өзінің моделін жетілдірді. 1938 жылы Борис Давыдов мыс оксиді түзеткіш теориясын ұсынды, оның ішінде оксидте p-n өткелінің болуы, артық тасымалдаушылар және рекомбинация. Ол сонымен қатар беттік күйлердің маңыздылығын түсінді [14]. 1942 жылы Ганс Бете термиондық сәулелену теориясын жасады (1967 жылы Нобель сыйлығы).
Радиотолқындарды анықтаумен жұмыс істеу кезінде Рассел Оль мысықтың сақал детекторларының ақаулары жартылай өткізгіштің нашар сапасымен байланысты екенін түсінді. Сондықтан ол кремнийді кварц түтіктерінде балқытып, содан кейін оны суытып жіберді. Алынған материал әлі де поликристалды болды, бірақ электрлік сынақтар қасиеттердің әлдеқайда біркелкі екенін көрсетті. Оль өзінің технологиялық тәжірибелері кезінде кездейсоқ алған p-n өткелін жасайтын қоспаларды анықтады. Ол кремний детекторлары мен p-n өткеліне төрт патентке ие болды.
1945 жылы Уильям Шокли өрістік жартылай өткізгіш күшейткіш тұжырымдамасын ұсынды. Көлденең электр өрісін қолдану жартылай өткізгіш қабаттың өткізгіштігін өзгертеді деген идея болды. Өкінішке орай, бұл әсер тәжірибе жүзінде байқалған жоқ. Джон Бардин бұл материалдың көп бөлігін өрістен қорғайтын беттік күйлерге байланысты деп ойлады (Cурет 2). Оның беттік теориясы 1947 жылы жарияланды [14].
Дала құрылғыларында жұмыс істеу кезінде 1947 жылы желтоқсанда Джон Бардин мен Уолтер Браттайн германий нүктелік транзисторын құрастырды (3-сурет) және бұл құрылғы қуаттың өсуін қамтамасыз ететінін көрсетті. Алайда транзистордың жұмысына жауапты механизмге қатысты белгісіздік болды.
Бардин мен Браттейн жаңа құрылғының жұмысында беткі құбылыстардың басым рөл атқаратынына сенімді болды, ал Шокли азшылық тасымалдаушылардың көлемді өткізгіштігін жақсы көрді. Шамамен бір айдан кейін ол p-n өткелінің және өтпелі транзистордың теориясын жасады. Шокли, Бардин және Браттейн 1956 жылы физика бойынша Нобель сыйлығын алды (Джон Бардин 1972 жылы асқын өткізгіштік теориясы үшін тағы бір сыйлықты алды). 1948 жылы ақпанда Джон Шив өте жұқа германий кесіндісінің (0,01 см) қарама-қарсы жағында орналасқан эмиттері мен коллекторы бар дұрыс жұмыс істейтін нүктеден нүктеге транзисторды көрсетті. Бұл конфигурация өткізгіштіктің шынымен де бет бойымен емес, көлемді түрде орын алғанын көрсетті (бет бойымен эмитент пен коллектор арасындағы қашықтық әлдеқайда үлкен болады). Содан кейін ғана Шокли өзінің әріптестеріне транзистордың жұмыс істеу теориясын ұсынды.
Бірінші нүктелік транзисторларды шығара бастады. Олар өте тұрақсыз болды және электрлік сипаттамаларын басқару қиын болды. 1952 жылы өсірілген түйіні бар алғашқы транзисторлар шығарылды. Олар бұрынғы нүктелерден әлдеқайда жақсы болды, бірақ өндіру әлдеқайда қиын болды. Күрделі қоспа процедурасының нәтижесінде өсірілген кристал n-p-n құрылымын құрайтын үш аймақтан тұрды. Оны бөлек құрылғыларға кесіп, контактілерді орнату керек болды. Процесс күрделі және оңай автоматтандыру мүмкін емес еді. Сонымен қатар, көптеген жартылай өткізгіш материалдар ысырап болды. 1952 жылы легирленген қосылыс транзисторы туралы хабарланды (екі индий түйіршіктері кремний бөлігінің қарама-қарсы жағында біріктірілген). Оның өндірісі қарапайым және материалды аз қажет етеді және кем дегенде ішінара автоматтандырылуы мүмкін. 1954 жылы бірінші диффузиялық Ge транзисторы туралы хабарланды (диффузия базалық аймақты қалыптастыру үшін қолданылды және эмитент біріктірілді) тән меза пішіні бар. Негізгі ені 1 мкм және кесу жиілігі 500 МГц болды. Кремний транзисторлары кері токтардың төмен болуына байланысты көптеген қолданбалар үшін германий транзисторларынан жоғары болады деп жалпы қабылданған. Бірінші коммерциялық қол жетімді кремний құрылғыларын (өсірілетін түйін) 1954 жылы Гордон Тил жасаған. Бірінші диффузиялық Si-транзистор 1955 жылы пайда болды. Ажырасу кернеуін тым төмендетпей жұмыс жылдамдығын шектейтін коллектордың меншікті кедергісін азайту үшін Джон Эрли екі қабаттан тұратын коллекторды ойлап тапты, яғни жоғары кедергісі жоғары қабаттың үстіне. бір доп. Қосымша эпитаксиалды қабаты бар транзистор туралы 1960 жылы хабарланды. Сол жылы Жан Хорни жазық транзисторды (негіздік және эмитенттік аймақтарда диффузия) ұсынды. Маска қызметін атқарған оксид жойылмай, пассивтендіруші қабат рөлін атқарды [15].
Жылдамдықты одан әрі жақсартуды Герберт Кремер ұсынды. Кірістірілген электр өрісін градиентті қоспа арқылы негізге енгізуге болады. Ол негізге электр өрісін енгізудің тағы бір тәсілі жартылай өткізгіш материалдың құрамын бағалау болды, нәтижесінде тегіс жолақ саңылауы болды. Бұл гетероструктуралық концепцияны құрастыру мәселелеріне байланысты іс жүзінде оңай іске асыру мүмкін емес [17].
Жартылай өткізгіштер сәулелену мен сәулеленуді анықтау үшін кеңінен қолданылады. Жартылай өткізгіштің сәулесі туралы алғашқы есеп 1907 жылы Х.Дж.Раунд жазбасында пайда болды. Бұл салада іргелі жұмыстарды, атап айтқанда, Лосев жүргізді. Жарық диодтарының дамуының өте қызықты сипаттамасын табуға болады, ал фотоэлектрдің тарихы [16] қарастырылады.
Алғашқы жартылай өткізгіш лазерлерді 1962 жылы төрт американдық зерттеу тобы әзірледі. Бұл саладағы одан әрі зерттеулер екі бағытты ұстанды: толқын ұзындығының кең диапазонына арналған материалдардың кең ауқымы және жаңа құрылғы құрылымдарының тұжырымдамасы. Герберт Кремер мен Жорес Алферов гетероқұрылымдар негізінде жартылай өткізгіш лазерлерді жасау идеясын өз бетінше алға тартты.
Жорес Алферов 1953 жылы p-n өтуі бар алғашқы кеңестік транзисторды жасаған топтың мүшесі болды. Отандық ядролық сүңгуір қайықтар үшін мамандандырылған жартылай өткізгіш құрылғыларды жасауға бағытталған зерттеулерге тікелей қатысты. Бұл істің Кеңес өкіметі үшін маңызды болғаны сонша, ол жұмыстың тезірек аяқталуын қалайтын өте жоғары мемлекеттік шенеуніктерден қоңырау шалды.
Бұл өтініштерді орындау үшін Алферов зертханаға көшіп, сол жерде өмір сүруге мәжбүр болды [17]. Кейінірек ол қуат құрылғыларында жұмыс істеп, p-i-n және p-n-n құрылымдарымен таныс болды. Жартылай өткізгішті лазерлер туралы алғашқы есеп пайда болған кезде, ол бұл құрылғыларда p-i-n типті қос гетероқұрылымдарды қолдану керектігін түсінді. Ол бірінші практикалық гетероструктуралық құрылғыларды және бірінші гетероструктуралық лазерді алды [17]. 2000 жылы Алферов пен Кремер жоғары жылдамдықта және оптоэлектроникада қолданылатын жартылай өткізгіш гетероқұрылымдар саласындағы жетістіктері үшін физика бойынша Нобель сыйлығын алды.
Ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш ретінде кремнийді біздің заманымыздың ақпарат тасымалдаушысы деп санауға болады. Ақпарат тарихында екі революция болды (аралығы 500 жылдай). Біріншісі ақпаратты көпшілікке қолжетімді еткен Иоганнес Гутенберг болса, екіншісі транзистордың өнертабысы болды. Қазіргі уақытта дүниежүзілік ақпарат көлемі жыл сайын екі есе артып келеді. Біз кәдімгідей қабылдайтын көптеген нәрселер (мысалы, компьютерлер, Интернет және ұялы телефондар) кремний микроэлектроникасысыз мүмкін емес еді. Электрондық схемалар автомобильдерде, тұрмыстық техникада, машиналарда және т.б. бар. Күнделікті өмірде бірдей маңызды оптоэлектрондық құрылғылар, мысалы, деректерді беру және сақтау үшін талшықты-оптикалық байланыстар (CD және DVD жазғыштар), сандық камералар және т.б.
Жартылай өткізгіш электроника пайда болғаннан бері интегралдық схемадағы транзисторлар саны уақыт өте келе экспоненциалды түрде өсті. Бұл үрдісті алғаш рет Гордон Мур байқап, Мур заңы деп атады. Мұнда сериялық Intel процессорларындағы транзисторлар саны уақыт функциясы ретінде берілген [18].
Электроникадағы жартылай өткізгіш құрылғылардың кейбір негізгі рөлдері:
Коммутация: жартылай өткізгіш құрылғылардың негізгі функцияларының бірі - коммутация. Ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш құрылғылар болып табылатын транзисторлар электр тогының ағынын басқаратын электронды қосқыштар ретінде әрекет етеді. Транзисторға берілетін орын ауыстыру мен кернеуді басқару арқылы ол сандық логикалық операциялардың орындалуын қамтамасыз ететін және электрондық тізбектердің жұмысын жеңілдететін ток ағынына рұқсат бере алады немесе бұғаттай алады.
Күшейту: жартылай өткізгіш құрылғылар әлсіз электр сигналдарын күшейту үшін қажет. Әдетте транзисторлар арқылы жасалған күшейткіштер сигналдардың амплитудасын арттырады, бұл оларды тиімді өңдеуге және электронды жүйелер арқылы жіберуге мүмкіндік береді. Бұл күшейту мүмкіндігі аудио, сымсыз және деректерді беру сияқты қосымшаларда өте маңызды.
Сигналдарды өңдеу: жартылай өткізгіш құрылғылар электроникада сигналдарды өңдеудің әртүрлі функцияларын қамтамасыз етеді. Көптеген өзара байланысты жартылай өткізгіш құрылғылардан тұратын интегралды схемалар (IC) сүзу, модуляция, демодуляция және жиілікті түрлендіру сияқты күрделі сигналдарды өңдеу тапсырмаларын орындауға қабілетті. Бұл функциялар аудио және бейне өңдеу, сигналдарды қалыптастыру және электрондық жүйелердегі деректерді басқару сияқты тапсырмалар үшін өте маңызды.
Жадты сақтау: жартылай өткізгіш құрылғылар деректерді жадта сақтауда да маңызды рөл атқарады. Электрондық құрылғыларда сандық ақпаратты сақтау үшін динамикалық кездейсоқ қол жетімді жад (DRAM) және флэш-жад сияқты арнайы жартылай өткізгіш құрылғылары бар интегралды схемалар қолданылады. Бұл сақтау құрылғылары шағын портативті құрылғылардан бастап ауқымды есептеу жүйелеріне дейінгі электрондық жүйелерде деректерді сақтауға, алуға және өңдеуге мүмкіндік береді.
Зондтау және анықтау: жартылай өткізгіштер әртүрлі датчиктер мен детекторларда қолданылады. Мысалы, фотодиодтар мен фототранзисторлар жартылай өткізгіш материалдың жарық энергиясын электр сигналдарына айналдыру қабілетін пайдаланады, бұл жарық пен сенсорлық қосымшаларды анықтауға мүмкіндік береді. Сол сияқты, жартылай өткізгіштерге негізделген температура, қысым және газ датчиктері физикалық шамаларды өлшеу және анықтау үшін жартылай өткізгіштердің электрлік қасиеттерін пайдаланады.
Қуатты басқару және түрлендіру: жартылай өткізгіш құрылғылар қуатты басқару және түрлендіру жүйелерінде қолданылады. Қуат транзисторлары мен тиристорлар сияқты қуатты электронды құрылғылар қуат көздері, электр жетектері, жаңартылатын энергия жүйелері және электромобильдер сияқты жүйелерде электр энергиясын тиімді басқаруға және түрлендіруге мүмкіндік береді. Бұл құрылғылар қуатты жоғары тиімділік пен дәлдікпен реттеуді, түрлендіруді және ауыстыруды жеңілдетеді.
Электроникадағы жартылай өткізгіш құрылғылардың рөлдері өте үлкен және әртүрлі, қарапайым коммутациялық функциялардан бастап күрделі сигналдарды өңдеуге және жадта сақтауға дейін. Олардың бірегей электрлік қасиеттері мен өңдеуі оларды әртүрлі электронды жүйелерді жобалау және пайдалану үшін қажет етеді, бұл телекоммуникация, Есептеу техникасы, тұрмыстық электроника, автомобиль, аэроғарыш және т.б. сияқты салаларда озық технологияларды дамытуға мүмкіндік береді.
1.2 Орта мектепте Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытудың қолданыстағы әдістемесіне талдау
Негізгі физика бойынша мектеп оқулықтарын қарастырғанда қарастырылып отырған тарауға қатысты тақырыптар мазмұнға еніп, жоғарғы сынып оқушыларының оқитынын атап өтуге болады. Мысалы, 10 сынып оқулығын (1.1 Сурет) алайық, авторлары Б.А.Кронгарт, Д.М.Қазақбаева, О.Имамбеков, Т.Қыстаубаев. Жартылай өткізгіштер тақырыбы мұнда Электродинамика бөлімінің Әртүрлі ортадағы электр тогы тармағында қарастырылған [19]. Оқушылар осы жерден жартылай өткізгіштің анықтамасын, оларға не жататынын және олардың өткізгіштер мен диэлектриктерден айырмашылығын біледі. Бұл тақырыптың логикалық жалғасы тек 11 сынып курсында ғана бар, онда Тұрақты электр тогы тарауында аттас абзацтағы жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісі туралы айтылады. Басқаша айтқанда, жоғарғы сынып оқушылары қарастырылатын заттардың класы туралы, олардың басқа заттар түрлерінен негізгі айырмашылығы туралы бастапқы түсініктерді алады.
Сурет 1.1 - жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 10-сыныбына арналған оқулық
Сонымен қатар, физиканы бейіндік зерттеуге арналған оқулықтарды зерделей отырып, жартылай өткізгіштерде болатын барлық негізгі процестер осы жерде тереңірек зерттелген деп сенімді түрде қорытынды жасауға болады. Мысалы, редакциялаған нұсқаулықта А.А. Пинский мен О.Ф.Кабардин Әртүрлі ортадағы электр тогы тарауында Жартылай өткізгіштердегі электр тогы және Тұйықталу қабатының бір жақты өткізгіштігі сияқты тақырыптарды ұсынады. Сондай-ақ, мұнда зерттеу үшін жартылай өткізгіш диод және биполярлы транзистор сияқты құрылғылар алынады.
Оқулықтардың маңызды кемшілігі - құрылғыға және өрістік транзистордың жұмыс принципіне әсер ететін тақырыптың болмауы. Оны зерттеу қажеттілігі ондағы процестердің физикасы биполярлы транзистор физикасына қарағанда қарапайым немесе кем дегенде күрделі емес екендігіне байланысты. Сондай-ақ өрістік транзисторды зерттеудің маңыздылығы оның қазіргі интегралдық схемаларының негізі болып табылады.
Қазіргі таңда орта мектеп оқушыларын заман талабына сай оқыту арнайы оқыту әдістері мен жаңа педагогикалық технологияларды игеруді талап етеді. Сондықтан оқу орындарының оқытушылары ізденушілердің осы бағытта жарияланған жұмыстарының нәтижелерін ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті
Физика-техникалық факультеті
Плазма физикасы, нанотехнология және компьютерлік физика кафедрасы
МАГИСТЕРЛІК ДИССЕРТАЦИЯ
тақырыбы: Орта мектептегі "Жартылай өткізгіштердегі электр тогы" тақырыбын оқыту әдістемесінің ерекшеліктерін зерттеу
7М01501 - Физика (білім беру)
Орындаған:_________________________ _______________Малдыбай Б.С.
(қолы)
Ғылыми жетекші: ф.-м.ғ.к., аға оқытушы_______________Амренова А.У.
(қолы)
Қорғауға жіберілді:
Хаттама №___ , ____ ______________20___ж.
Кафедра меңгерушісі________________________ _________Коданова С.К.
(қолы, мөрі)
Нормобақылау_______________________ ________________Кенжебекова А.И.
(қолы)
Алматы, 2023 ж.
ТҮЙІНДЕМЕ
Жұмыстың көлемі - 2 бөлімнен, 60 беттен, 7 суреттен, 2 кестеден, қорытынды бөлімнен және пайдаланылған әдебиеттер тізімінен тұрады.
Зерттеу объектісі: Орта мектептегі физика пәнін оқыту процесі.
Зерттеу әдістері: оқытуда қолданылатын инновациялық оқыту әдістері (проблемалық оқыту әдісі, төңкерілген сынып оқыту әдісі, сауалнама).
Қолдану саласы: орта білім беру орындары.
Жұмыстың жаңашылдығы: Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбы орта мектептегі физика курсындағы негізгі тақырыптардың бірі болып табылады, бұл оқушылардың көпшілігіне қиындық туғызады. Зерттеу барысында анықталған мәселелердің шешімін тауып, білім сапасын арттыру мақсатында тиімділігі жоғары оқыту әдістерін қолданысқа енгізуге бағытталуы.
Жұмыстың мақсаты: Оқушылардың білімі мен іскерлігінің қажетті деңгейін қалыптастыруды қамтамасыз ететін, орта мектептегі Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқыту ерекшеліктерін зерттеу және негіздеу.
Осы мақсатқа жету үшін келесі міндеттер қойылды:
- Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбы бойынша оқушылардың білім деңгейін талдау;
- Осы тақырыпты оқытудың қолданыстағы әдістерін зерттеу;
- Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытудың өзіндік тиімді әдістемесін қарастыру;
- Қарастырылған оқыту әдістерінің тиімділігіне пилоттық зерттеу жүргізу.
Зерттеу әдістері
Тапсырмаларды шешу үшін келесі әдістер қолданылды:
- ғылыми әдебиеттерді талдау;
- пилоттық зерттеу;
- Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытудың әртүрлі әдістерін салыстырмалы талдау.
Тақырыпты оқытуда қолданылатын тиімді әдіс ұсынылды, ол келесі мазмұнды қамтиды:
- Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбы бойынша оқушылардың ойларын анықтау және жиі кездесетін қателерді анықтау;
- Тақырыпты нақты қосымшалар мысалында оқу қажеттілігін көрсету;
- Тәжірибе жүргізу, тәжірибе нәтижелерін түсіндіру және пікірталас жүргізу арқылы жартылай өткізгіштердің қасиеттерін зерттеу;
- Алған білімдерін қорытындылау, бекіту.
РЕЗЮМЕ
Магистерская работа состоит из 2 глав, содержит 60 страниц, 7 рисунков, 2 таблицы, заключения и список использованной литературы.
Объект исследования: Процесс обучения физике в общеобразовательной школе.
Методы исследования: инновационные методы обучения, используемые в обучении (проблемный метод обучения, метод обучения в перевернутом сыныпе, опрос).
Область применения: места среднего образования.
Инновация работы: Тема Электрический ток в полупроводниках является одной из основных тем школьного курса физики, которая является сложной задачей для большинства учащихся. Ориентация на внедрение высокоэффективных методов обучения в целях повышения качества образования и решения проблем, выявленных в ходе исследования.
Цель работы: изучить и обосновать особенности преподавания темы Электрический ток в полупроводниках в вузе, обеспечивающие формирование необходимого уровня знаний и предприимчивости студентов.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
- Анализ уровня знаний студентов по теме Электрический ток в полупроводниках;
- изучение существующих методов преподавания данной темы;
- Рассмотрение эффективной методики преподавания темы Электрический ток в полупроводниках;
- Проведение пилотного исследования эффективности рассматриваемых методов обучения.
Методы исследования
Для решения задач использовались следующие методы:
- анализ научной литературы;
- обучение пилота;
- Сравнительный анализ различных методик преподавания Электрический ток в полупроводниках.
Разработана новая методика преподавания темы, которая включает следующие этапы:
- определить мысли учащихся по теме Электрический ток в полупроводниках и выявить распространенные ошибки;
- продемонстрировать необходимость изучения темы на примерах конкретных приложений;
- изучение свойств полупроводников путем проведения экспериментов, объяснения результатов опытов и проведения дискуссий;
- Обобщение и подтверждение полученных знаний.
ABSTRACT
The volume of work consists of 2 parts, 60 pages, 7 figures, 2 tables, conclusions and a list of references.
Object of study: The process of teaching physics in a secondary school.
Research methods: innovative teaching methods used in teaching (problem teaching method, flipped classroom teaching method, survey).
Application area: places of secondary education.
Work innovation: The topic "Electric current in semiconductors" is one of the main topics of the school physics course, which is a difficult task for most students. Focus on the introduction of highly effective teaching methods in order to improve the quality of education and solve the problems identified during the study.
Purpose of the work: to study and substantiate the features of teaching the topic "Electric current in semiconductors" at the university, providing the formation of the necessary level of knowledge and entrepreneurial spirit of students.
To achieve this goal, the following tasks were set:
- Analysis of the level of knowledge of students on the topic "Electric current in semiconductors";
- study of existing methods of teaching this topic;
- consideration of an effective methodology for teaching the topic "Electric current in semiconductors";
- conducting a pilot study on the effectiveness of the teaching methods under consideration.
Research methods
The following methods were used to solve the problems:
- analysis of scientific literature;
- pilot training;
- comparative analysis of various teaching methods "Electric current in semiconductors".
A new methodology for teaching the topic has been developed, which includes the following steps:
- identify students' thoughts on the topic "Electric current in semiconductors" and identify common mistakes;
- demonstrate the need to study the topic on examples of specific applications;
- studying the properties of semiconductors by conducting experiments, explaining the results of experiments and holding discussions;
- generalization and confirmation of the acquired knowledge.
МАЗМҰНЫ
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
6
АНЫҚТАМАЛАР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
7
БЕЛГІЛЕУЛЕР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
8
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
9
1 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ ЭЛЕКТР ТОГЫ ТАҚЫРЫБЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІНІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ ... ... ... ... ... ... .. ... ...
13
1.1 Жартылай өткізгіштердің сипаттамалары. Жартылай өткізгіштердегі электр тогының негізгі заңдылықтары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
13
1.2 Орта мектепте Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытудың қолданыстағы әдістемесіне талдау ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ...
21
1.3 Орта мектепте жартылай өткізгіштерді оқытудың әлеуметтік мәселелері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
25
2 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ ЭЛЕКТР ТОГЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІНІҢ ТИІМДІЛІК СИПАТТАМАСЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
2.1 Орта мектепте жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытуда проблемалық оқыту әдісін пайдалану ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ..
31
2.2 Үй жағдайында жасауға қолайлы жартылай өткізгіш құрылғылармен тәжірибе жұмыстары ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
36
2.3 Оқушылардың мектепте жартылай өткізгіштердегі электр тогы туралы білімдерін кеңейту үшін Төңкерілген сынып әдісін қолдану ... ... ... ... ... .
41
2.4 Жартылайөткізгіштерге қатысты Ұлттық бірыңғай тестілеуде кездесетін сұрақтарды талдау ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
47
2.5 Жартылай өткізгіштердегі электр тогын оқытудың оңтайлы әдісін таңдаудың негіздемесі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
50
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
53
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... .
55
ҚОСЫМША ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
57
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР
Осы диссертацияда келесі стандарттарға сілтемелер қолданылды:
- Қазақстан Республкасының 2007 жылғы 27 шілдедегі № 319-ІІІ Білім туралы заңы (22.12.2016ж. өзгерістерімен және толықтырулармен);
- Мемлекетаралық стандарттар МЕМСТ 7.32-2001 (2006 жылғы өзгерістермен). Ғылыми-зерттеу жұмысы туралы есеп. Құрылымы мен ресімдеу ережелері;
- МЕМСТ 7.1-2003. Библиографиялық жазба. Библиографиялық сипаттама. Жалпы талаптар және құрастыру ережелері.
АНЫҚТАМАЛАР
Бұл диссертацияда сәйкес анықтамаларымен келесі терминдер қолданылады:
Ом заңы - электр тогының негізгі заңдарының бірі. Ом заңы - өткізгіштегі ток күшінің (І) осы өткізгіштің ұштары арасындағы кернеумен (U) байланысын анықтайды: U=r*Iмұндағы r өткізгіштің геометриялық өлшемдеріне, электрлік қасиеттеріне және температурасына байланысты болатын пропорционалдық коэффициенті r - омдық кедергі немесе өткізгіштің берілген бөлігінің кедергісі деп аталады.
Транзистор - электр тербелістерін күшейтуге, оларды тудыруға және түрлендіруге арналып жартылай өткізгіш кристалл негізінде жасалған электрондық құрал.
Диод - екі электродты, электр тогының бағытына байланысты әртүрлі өтімділігі бар электронды аспап.
Лайкерт шкаласы - бұл жеке адамға белгілі бір тұжырыммен қаншалықты келісетінін немесе келіспейтіндігін білдіруге мүмкіндік беретін бес (немесе жеті) баллдық шкала.
Коммутация - тізбектегі электр тогының бағытын өзгерту.
БЕЛГІЛЕУЛЕР МЕН ҚЫСҚАРТУЛАР
PBL - problem-based learning
STEAM - science, technology, engineering, art, math
ҰБТ - ұлттық бірыңғай тестілеу
КІРІСПЕ
Зерттеу тақырыбының өзектілігі. Жалпы физикалық білім оқушыларға өз мүмкіндіктеріне байланысты күнделікті өмірде байқалатын құбылыстарды ғылыми түсіндіру мен талқылауды қамтамасыз етуі керек. Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбы мектеп бағдарламасында жоспар бойынша сағат саны аз берілгендіктен тақырыпты жеткілікті деңгейде қамту мүмкіндігі аз. Зерттелетін материал көлемі жағынан өте үлкен. Жаңа педагогикалық және ақпараттық технологиялар негізінде жартылай өткізгіштер физикасын оқытуды ұйымдастыру бүгінгі таңда маңызды болып саналады, өйткені ғылымның дамуын сақтау үшін оқытудың түрлері мен формаларын үнемі өзгерту, дәстүрлі әдістерді толықтыру мақсатында жаңаларын іздеу қажет. Зерттеудің теориялық және практикалық тұрғыдан маңыздылығы орта мектепте физиканы оқытудың әдістемесін зерттеп, ондағы олқылықтарды талдап, тиімді әдіс-тәсілдерді ұсыну қажеттілігін көрсетеді.
Практикалық маңыздылығы. Зерттеудің теориялық және практикалық тұрғыдан маңыздылығы орта мектепте физиканы оқытудың әдістемесін зерттеп, ондағы олқылықтарды талдап, тиімді әдіс-тәсілдерді ұсыну қажеттілігін көрсетеді.
Әдебиеттерді талдау барысында, көптеген ғалымдар оқу процесіне оқытудың тиімді әдістерін енгізуге көп көңіл бөлетіні, мектептегі физика курстарында оқыту әдістемелері жасалатыны анықталды.
Жартылай өткізгіштер физикасы жартылай өткізгіштер мен интегралды микросхемалар туралы ғылымның негізі болып табылады. Дәстүрлі оқытуда аудиториялық оқыту негізінен теориялық мазмұнға негізделген және оқушылардың оқуға деген тұрақты қызығушылығын ояту қиынға соғуы мүмкін. "Жартылай өткізгіштер физикасы" курсы жартылай өткізгіш материалдарды, қатты дене физикасын, кванттық механиканы, математикалық талдауды және электронды схемаларды қамтитындықтан, кешенді курс оқушылардан математикалық негізгі білімді талап етеді. Сонымен қатар, курстың теориялық мазмұны мен тұжырымдамаларының көп бөлігі өте абстрактілі, сонымен қатар модельдің сипаттамасы және формулалардың тұжырымы, мысалы, энергетикалық аймақ құрылымы, тасымалдаушы концентрациясы, гетеротүсіру және т.б. басқаша айтқанда, курстың мазмұнын қосымша көмексіз түсіну қиын. Сонымен қатар, жартылай өткізгіштер физикасы мен олардың құрылғыларының технологиясының қарқынды дамуы қолданыстағы оқу материалдарын үнемі жаңалап отыруды талап етеді [1].
Орта мектепте Жартылай өткізгіш аспаптар физикасы әдетте дәстүрлі оқыту режимін пайдаланады. Сабақ барысында мұғалім алдымен алдыңғы сабақтың мазмұнын қарастырады, содан кейін жаңа сабақтың мазмұнын түсіндіреді. Кейінірек жаңа сабақ жаттығулар арқылы бекітіліп, үй тапсырмасы тағайындалады. Дәстүрлі оқыту моделінде жалпылама қалыптасқан оқыту әдісін қолданылады және көп жағдайда оқу бағдарламасындағы негізгі пәндердің бірі екені ескерілмей жатады. Жартылай өткізгіш аспаптар физикасы берік теориялық негізді қажет ететіндіктен; дәстүрлі оқыту режимінің әдетте оқушылардың оқуға деген қызығушылығын оятуға әсері аз болады, бұл оқушылардың курстағы қиындықтарды игеруіне ықпал етпейді [2].
"Жартылай өткізгіштер физикасы" көптеген ұғымдарды, теорияларды, формулаларды және дерексіз физикалық модельдерді қамтиды, бұл оқушылардың көпшілігінің оқуға қызығушылығын тудырмайды. Оқушылардың оқуға деген ынтасын арттыру және "Жартылай өткізгіштер физикасы" курсының оқыту сапасын жақсарту үшін зерттеушілер көп өлшемді құрылымы бар оқыту платформасын әзірлеген. Онда модульдік интеграциялық оқыту әдісі, виртуалды зертханалар және нақты уақыттағы модельдеу, сондай-ақ аппараттық және өндірістік жабдықтары бар ашық зертханалар идеясы ұсынылған. Бұл оқыту режимі оқушылардың оқу бастамасын, инженерлік қабілеттерін және жартылай өткізгіш өнеркәсібіне деген құштарлығын тиімді дамытады [3].
Физика негізінен эксперименттік ғылым болғандықтан, ол демонстрациялық эксперимент пен зертханалық жаттығулар негізінде зерттеледі. Өкінішке орай, көптеген оқу орындарында оқу зертханалары мен олардың жабдықтары бүгінде сұранысқа сай емес және олардың барлығы физикалық тұрғыдан ескірген. Сондықтан физика курсы бойынша жаңа электронды оқулықтар жасау қазіргі таңда өзекті мәселелердің бірі болып табылады.
Осы мәселені алға тарта отыра, Бұхара мемлекеттік университетінің профессорлары А.Тешабоев, С.Зайнобидинов "Жартылай өткізгіштер физикасы" курсына арналған электронды оқулық жасаған. Электрондық оқулықтарды жасау кезінде MS Word, MS Front Page, MS Power Point, MS Paint, Visual Basic-6.0 бағдарламалау тілі, сондай-ақ мультимедиялық құралдар тиімді пайдаланылып, электрондық оқулықтарды жасау технологиясы қолданылған. Электронды оқулық "Мазмұны", "Зертханалық жұмыс", "Тапсырмалар", "Тест", "Анимация", "Әдебиеттер", "Авторлар" және "Қорытынды" бөлімдерінен тұрады [4].
Тек заманауи педагогикалық технологияларды қолдану ғана білім беруді өзгертуге мүмкіндік береді, ал жаңа ақпараттық технологиялар өз идеяларын барынша тиімді іске асыруға мүмкіндік береді. Сондықтан ақпараттық дәуірде білім берудің барлық түрлері мен жүйелері үшін "оқушы - ақпараттық орта - мұғалім" сұлбасына сай жаңа білім беру парадигмасына көшу қажеттілігі туындайды [5].
Оқушылардың көзқарасы бойынша физика мектептердегі ең қиын пәндердің бірі болып саналады және олар бұл тұжырымдаманы ерекше дарынды оқушылар ғана түсінеді деп санайды. Алайда, Эфиопиядан келген Аддис-Абеба университетінің профессорлары жүргізген зерттеу оқушылардың физика бойынша үлгерімін PBL көмегімен жақсартуға болатындығын көрсетеді.
Профессор Диггс, сонымен қатар, PBL әдісі оқушыларға ғылымды жақсы түсінуге мүмкіндік беретінін түсіндірді. Әртүрлі зерттеушілермен әртүрлі жағдайларда PBL әдісімен жүргізілген алдыңғы зерттеулер, сондай-ақ осы зерттеу PBL дәстүрлі оқыту әдісімен салыстырғанда таңдалған физика тақырыптарын оқытудың тиімдірек әдісі екенін дәлелдеген. Осылайша, PBL оқушылардың оқу үлгерімін арттыру үшін жақсы балама оқыту әдісі болып табылады. Бұл ретте оқушылар топтық пікірталастарда белсенді болу және өз бетінше оқытуды жүзеге асыру үшін әлеуметтік дағдыларды дамытуы керек. Оқушылар арасында сенім сезімі де болуы керек. Жоғарыда аталған талқылау мен зерттеу нәтижелері негізінде эксперименттік және тәжірибелік мәселелерді шешу дағдылары салыстыру тобында айтарлықтай өсті деген тұжырым жасалған. Бірақ екі топтың да құлшынысы бірдей деңгейде көрініс тапқан [5,6].
Жартылай өткізгіштер физикасы қолданбалы физика, оптоэлектроника және микроэлектроника оқушылары үшін маңызды негізгі курс болып табылады. Зерттеушілер бастамасымен жартылай өткізгіштер физикасын оқытуда ғылыми-зерттеу реформасын жүргізілген. Біріншіден, оқытудың мазмұны ғылыми мәселелер негізінде қайта құрылған. Екіншіден, оқушылар әртүрлі ғылыми мәселелерді талқылау және бірнеше қысқа ғылыми баяндамалар ұсыну үшін топтарға бөлінген. Үшіншіден, оқушылар сабаққа дейін немесе одан кейін оқи алатын және талдай алатын микро сабақтардың бейнелері жасалған. Салыстырмалы талдау кезінде жартылай өткізгіштер физикасы бойынша оқу бағдарламасының мазмұны айтарлықтай байытылғанын анықтау жоспарланған. Сонымен қатар, оқушылардың оқуға деген құлшынысы мен ғылыми ойлау қабілеті артып, олардың инновациялық қабілеті жақсарған. Жалпы, жартылай өткізгіштер физикасы курсының оқыту сапасы салыстырмалы түрде жақсаруы мүмкін деген тұжырым жасалған [7].
Жартылай өткізгіштер физикасы жартылай өткізгіштер мен жартылай өткізгіштер туралы ғылым мен техниканың негізі болып табылады. Олар барлық электронды өнеркәсіп пен ақпараттық қоғамның негізі саналатын құрылғылар. Қарастырылған еңбекте авторлар "Жартылай өткізгіш құрылғылар физикасы" микроэлектрониканың және басқа да осыған ұқсас мамандықтардың маңызды міндетті курсы екенін ескере отырып, оқыту әдістері мен мазмұнын жақсарту қажет екенін алға тартады. Бұл жұмыста компьютерлік техниканың дамуымен жартылай өткізгіш құрылғылар физикасында автоматтандырылған оқытуды қолдану тиімділігі қарастырылған. Бұл оқушыларға түсініктерін тереңдетуге және білімді игеруге көмектесетін MATLAB бағдарламалық жасақтамасын қолдана отырып, сапалы талдау мен сандық есептеу үшін пайдалы деп көрсеткен. MATLAB бағдарламалық жасақтамасын қолдана отырып, оқушылар жартылай өткізгіштер мен құрылғылар физикасындағы көптеген мәселелерді талдап, шеше алады. Бұл мақалада MATLAB бағдарламалық жасақтамасын "Жартылай өткізгіш құрылғылар физикасы" курсында, соның ішінде жартылай өткізгіш және жартылай өткізгіш аспаптар физикасы саласында қолдану егжей-тегжейлі талқыланады. Оқыту тәжірибесінде MATLAB бағдарламасын қолдану оқытудың тиімділігі мен әдістерін тиімді арттыра алатынын, сыныптағы атмосфераны жандандырып, оқушылардың ынта-жігері мен зерттеу рухын жұмылдыра алатынын көрсетеді [8].
Оқу бағдарламасында виртуалды зертханалық құралдар бұрыннан қолданысқа енгізілген. Мұндай құралдарды оқушылар өздерінің оқу үлгерімін жақсарту және қызығушылықтарын арттыру үшін пайдаланады. Жабдықты ауыстыру мен техникалық қызмет көрсетудің жоғары құны зертханалық курсқа жаңа заттарды қосудың икемділігімен салыстырылған кезде, виртуалды зертханалық құралдар білім беру мақсаттары үшін тиімді құралға айналды. Статистика бойынша оқушылар зертханалық модульдерге дайындалуға жеткілікті уақыт жұмсамайтындықтан, оқушыларға зертханалық дағдылары мен түсініктерін жақсартуға көмектесетін жаңа әдіснамалар мен бағдарламалық жасақтама жасалған. Бұл жұмыс жартылай өткізгіштер физикасы тапсырмаларына арналған виртуалды зертханалық ортаны сипаттайды, талқылайды және бағалайды.
Бағалау кейбір оқушыларға бағдарламалық қамтамасыз етуді ұсыну және олардың нәтижелерін Бағдарламалық жасақтамаға қол жеткізе алмайтын оқушылармен салыстыру арқылы жүргізілген. Оқушыларға зертханаға барар алдында берілген бағдарламалық құрал олардың үлгерімін арттыруға көмектесті деген қорытындыға келген. Сондай-ақ, бұл құрал негізінен әлсіз оқушыларға арналғаны атап өтілді, өйткені бағалау сынақтарына сәйкес оларға негізінен шекті ұпайын алуға көмектеседі [9].
Өз кезегінде, техника мен технологияның дамуы, басқа жаратылыстану ғылымдарының дамуы мен жетістіктері физика ғылымының дамуымен тығыз байланысты. Демек, физиканың дамуы техника мен технологияның, яғни өндірістің өсуіне әкеледі. Тек жоғары технологиялар мен жабдықтары бар мемлекет өркендеп, өркендейді. Сондықтан бүгінде біздің елімізде физика ғылымын дамыту, физикалық ғылымның тиімділігін түбегейлі арттыру үлкен қажеттілік.
1 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ ЭЛЕКТР ТОГЫ ТАҚЫРЫБЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІНІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ
1.1 Жартылай өткізгіштердің сипаттамалары. Жартылай өткізгіштердегі электр тогының негізгі заңдылықтары
Электр кедергісі бойынша жартылай өткізгіштер өткізгіштер мен диэлектриктердің арасында орын алатын материалдар. Жартылай өткізгіштерге көптеген химиялық элементтер (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк және т.б.), көптеген қорытпалар мен химиялық қосылыстар кіреді.
Жартылай өткізгіштер мен металдар арасындағы сапалық айырмашылық ең алдымен меншікті кедергінің температураға тәуелділігінде көрінеді. Температураның төмендеуімен металдардың кедергісі төмендейді. Жартылай өткізгіштерде, керісінше, температураның төмендеуімен кедергі артады және абсолютті нөлге жақындағанда олар іс жүзінде оқшаулағышқа айналады.
Жартылай өткізгіштердегі электр тогы - электрондардың оң зарядқа, ал кемтіктердің теріс зарядқа бағытталған қозғалысы. Олардың электр өткізгіштігі 10-8-ден 105 смм-ге дейін ауытқиды және металдардан айырмашылығы ол температураның жоғарылауымен артады.
Электроникада жартылай өткізгіш материалдардың шектеулі саны қолданылады. Бұлар ең алдымен кремний, германий және галлий арсениді. Қоспа ретінде бор, мышьяк, фосфор сияқты бірқатар заттар қолданылады.
Электроникада қолданылатын жартылай өткізгіштердің өте тамаша кристалдық құрылымы бар. Олардың атомдары кеңістікте бір-бірінен тұрақты қашықтықта қатаң периодтық ретпен орналасып, кристалдық торды құрайды. Электроникадағы ең көп таралған жартылай өткізгіштердің торы - германий мен кремний - алмаз тәрізді құрылымға ие. Мұндай торда заттың әрбір атомы дұрыс тетраэдр төбесінде орналасқан төрт бірдей атоммен қоршалады.
Кристалл торындағы әрбір атом электрлік бейтарап болып келеді. Атомдарды тор орындарында ұстап тұратын күштер кванттық механикалық сипатта болады; олар әрекеттесетін атомдардың валенттілік электрондарымен алмасуына байланысты пайда болады. Атомдардың ұқсас байланысы коваленттік байланыс деп аталады, оны құру үшін бір жұп электрон қажет. Жартылай өткізгіштердегі электр тогы салыстырмалы түрде аз электрондардың қозғалысына байланысты. Жартылай өткізгіштерге тән бұл қасиет жартылай өткізгіштерді құрайтын атомдардың валенттік электрондары олардың атомдарымен берік байланысып, қозғала алмайтындығымен, яғни бос еместігімен түсіндіріледі. Оларды атомдардан ажырату: жартылай өткізгіштерді сыртқы жылу көзімен қыздыру нәтижесінде, ал кейбір жартылай өткізгіштер үшін оларды жарықтандыру арқылы пайда болуы мүмкін. Бұл электрондардың энергиясын арттырады және электрондардың атомдардан бөлініп, қолданылатын кернеу астында қозғалуына мүмкіндік беретін жоғары энергетикалық күйге ауысады. Өткізгіштің температурасы неғұрлым жоғары болса, электрондар соғұрлым жоғары энергия күйіне ие болады және соғұрлым олардың көп бөлігі босатылады.
Металдардан айырмашылығы, жартылай өткізгіштер кең температура диапазонында кедергінің теріс температуралық коэффициентіне ие. Яғни, өткізгіштіктің оң температуралық коэффициенті. Олар меншікті өткізгіштік мәнінің олардың құрамындағы қоспалардың түріне және мөлшеріне күшті тәуелділігімен сипатталады.
Жартылай өткізгіштердегі электр тогының заңдылықтары басқа материалдардағы заңдарға ұқсас. Дегенмен, қоспаның болуы және жолақ аралығы кейбір ерекше сипаттамаларға әкеледі. Ең маңызды екі заң: Ом заңы және Кирхгоф заңы.
Ом заңы екі нүкте арасындағы өткізгіштегі ток күші осы екі нүктедегі кернеуге тура пропорционал екенін айтады. Жартылай өткізгіште бұл тәуелділік жолақ саңылауының болуына байланысты сызықты емес. Төмен кернеулерде жартылай өткізгіш арқылы өтетін ток шамалы, бірақ кернеу жоғарылаған сайын электрондар өткізгіштік диапазонға қозып, ток оңайырақ өтуіне мүмкіндік береді. Бұл ток пен кернеу арасындағы сызықты емес қатынасқа әкеледі, ток кернеумен экспоненциалды түрде артады.
Кирхгоф заңдары түйіспеге түсетін токтардың қосындысы түйіспеден шығатын токтардың қосындысына тең, ал тұйық контурдағы кернеулердің қосындысы нөлге тең екенін айтады. Жартылай өткізгіште бұл заңдар орындалады, бірақ қоспалардың болуы ток ағынына әсер етуі мүмкін. p-типті жартылай өткізгіште саңылаулар (электронның болмауы) оң зарядты тасымалдаушы ретінде әрекет етеді, ал n-типті жартылай өткізгіште электрондар теріс заряд тасымалдаушы ретінде әрекет етеді. Бұл заряд тасымалдаушылардың концентрациясы жартылай өткізгіш арқылы өтетін токқа әсер етуі мүмкін.
Жартылай өткізгіштердің бірегей сипаттамалары бар, бұл оларды әртүрлі электронды құрылғылар үшін таптырмас материал етеді. Қоспаға байланысты олардың өткізгіштігін өзгерту мүмкіндігі және жолақ саңылауының болуы ток пен кернеу арасындағы сызықты емес қатынастарға әкеледі, ал жартылай өткізгіштердегі электр тогының заңдарына заряд тасымалдаушылардың концентрациясы әсер етеді. Жартылай өткізгіштерді одан әрі зерттеу жаңа және жетілдірілген электронды құрылғыларды жасау үшін өте маңызды.
Жартылай өткізгіштің алғашқы өнертабысы және олардың электрлік қасиеттерін қоспа арқылы басқарудағы технологиялық жетістік бүгінде ақпараттық қоғамға еніп жатқан көптеген электронды құрылғылардың негізін құрайды. Бейорганикалық жартылай өткізгішті қоспалау оның электрондық жолақтарының энергетикалық теңестіруін металл контактілерінің жолақтарына, сондай-ақ басқа легирленген басқа жартылай өткізгіштерге қатысты өзгертуге мүмкіндік береді. Дәл осы фазааралық құбылыстар, мысалы, p-n өткелдерінде немесе өрістік транзисторларда, кремний негізіндегі электроникада қолданылатын құрылғылардың көптеген функционалдығын қамтамасыз етеді. Бейорганикалық материалдарды легирлеу қоспа атомдарын жоғары таза кристалдық жартылай өткізгішке бақыланатын енгізу арқылы жүзеге асырылады. Негізгі кемтіктегі негізгі атомдармен ковалентті әрекеттесу нәтижесінде электрондық кемтік күйлер пайда болады, олар p- немесе n- үшін валенттік аймақтың немесе өткізгіштік аймағының шекарасынан бірнеше ондаған миллиэлектронвольтке жоғары немесе төмен орналасқан қоспа түрі. Барлық қолжетімді электрондық күйлер Ферми-Дирак статистикасына сәйкес орналасқандықтан, күйлердің тығыздығының бұл өзгерісі, мысалы, p-қоспа үшін, электрондық химиялық потенциалдың ығысуына әкеледі. Ферми деңгейі, ортаңғы саңылаудан төмен қарай валенттік зонаның шетіне қарай, негізінен барлық акцепторлық күйлерді бөлме температурасында электрондар алады және соның салдары ретінде валенттіліктегі жылжымалы кемтіктер тобы. n-типті қоспа да осыған толық ұқсастықта жүреді, өткізгіштік диапазонының шетіне жақын әдейі енгізілген жақын донорлық күйлермен олар бөлме температурасында толығымен иондалады, нәтижесінде оның орнына жылжымалы электрондар пайда болады. Бұл процестің өзінің жоғары тиімділігі жартылай өткізгіштің тіпті ультра төмен легирлеу коэффициенттері кезінде де күрт өсуіне әкеледі, осылайша жоғары зарядты сақтайды. Дегенмен, қоспа бейорганикалық жартылай өткізгіштердің электрлік параметрлерін қамтамасыз ететін бақылаудың жоғары деңгейіне қарамастан, дисплейлер немесе қатты күйдегі жарықтандыру сияқты оптоэлектрондық қолданбалар үшін олардың жолақ аралығын реттеу әлі де технологиялық мәселе болып қала береді. Сонымен қатар, олардың энергияны көп қажет ететін өндірісі оларды арзан, үлкен аумақтағы қолданбалары үшін тиімді етеді [11].
Майкл Фарадей 1833 жылы жартылай өткізгіштерді ашты, бірақ адамдардың көпшілігі жартылай өткізгіштер тұжырымдамасымен таныс емес еді. Г.Буш [12] бойынша, жартылай өткізгіш терминін алғаш рет 1782 жылы Алессандро Вольта қолданған. Жартылайөткізгіш эффектінің алғашқы құжатталған бақылауы күміс сульфидінің кедергісі температураға байланысты төмендейтінін байқаған Майкл Фарадейге (1833) байланысты, бұл металдарда байқалатын тәуелділіктен өзгеше [13].
Ag2S және Cu2S электр өткізгіштігінің температураға тәуелділігінің кең сандық талдауын 1851 жылы Иоганн Хитторф [12] жариялады.
Келесі бірнеше жыл ішінде жартылай өткізгіштердің тарихы екі маңызды қасиеттерге, атап айтқанда, жартылай өткізгіштердің металл-жартылай өткізгіштің түйісуін түзету және жартылай өткізгіштердің жарық сезімталдығы төңірегінде шоғырланды.
1878 жылы Эдвин Герберт Холл қатты денелердегі заряд тасымалдаушылардың магнит өрісінде ауытқуын (Холл эффектісі) ашты.
Кейінірек бұл құбылыс жартылай өткізгіштердің қасиеттерін зерттеу үшін қолданылды. Дж.Дж.Томсон электронды ашқаннан кейін көп ұзамай бірнеше ғалымдар металдардағы электрондық өткізгіштік теориясын ұсынды. Эдуард Рике (1899) теориясы ерекше қызығушылық тудырады, өйткені ол әртүрлі концентрациясы мен қозғалғыштығы бар теріс және оң заряд тасымалдаушылардың болуын болжады [12].
Шамамен 1908 жылы Карл Баедекер мыс йодидінің өткізгіштігінің стехиометрияға (йод мөлшері) тәуелділігін байқады. Ол сондай-ақ осы материалдағы Холл эффектісін өлшеген, ол оң зарядты тасымалдаушыларды көрсетті. 1914 жылы Йохан Кенигсбергер қатты материалдарды өткізгіштігі бойынша үш топқа бөлді: металдар, оқшаулағыштар және айнымалы өткізгіштер. 1928 жылы Фердинанд Блох торлардағы электрондар теориясын жасады. 1930 жылы Бернхард Гудден жартылай өткізгіштердің байқалатын қасиеттері тек қоспалардың болуына байланысты және химиялық таза жартылай өткізгіштер жоқ деп хабарлады [12].
1930 жылы Рудольф Пейерлс жолақ аралықтары түсінігін енгізді, оны Бриллуен сол жылы реалистік денелерге қолданды. Сондай-ақ 1930 жылы Крониг пен Пенни периодтық потенциалдың қарапайым аналитикалық моделін жасады. 1931 жылы Алан Вилсон бос және толтырылған энергетикалық жолақтар тұжырымдамасына негізделген қатты денелердің жолақ теориясын жасады (1-сурет).
Вильсон сонымен қатар жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі қоспалардан болатынын растады. Сол жылы Гейзенберг саңылау тұжырымдамасын жасады (бұл Рудольф Пейерлс еңбектерінде айтылған). 1938 жылы Уолтер Шоттки мен Невилл Ф.Мотт (1977 ж. Нобель сыйлығы) металл-жартылай өткізгішті өткел арқылы потенциалдық кедергі мен ток ағынының үлгілерін дербес әзірледі. Бір жылдан кейін Шоттки ғарыштық зарядтың болуын қосу арқылы өзінің моделін жетілдірді. 1938 жылы Борис Давыдов мыс оксиді түзеткіш теориясын ұсынды, оның ішінде оксидте p-n өткелінің болуы, артық тасымалдаушылар және рекомбинация. Ол сонымен қатар беттік күйлердің маңыздылығын түсінді [14]. 1942 жылы Ганс Бете термиондық сәулелену теориясын жасады (1967 жылы Нобель сыйлығы).
Радиотолқындарды анықтаумен жұмыс істеу кезінде Рассел Оль мысықтың сақал детекторларының ақаулары жартылай өткізгіштің нашар сапасымен байланысты екенін түсінді. Сондықтан ол кремнийді кварц түтіктерінде балқытып, содан кейін оны суытып жіберді. Алынған материал әлі де поликристалды болды, бірақ электрлік сынақтар қасиеттердің әлдеқайда біркелкі екенін көрсетті. Оль өзінің технологиялық тәжірибелері кезінде кездейсоқ алған p-n өткелін жасайтын қоспаларды анықтады. Ол кремний детекторлары мен p-n өткеліне төрт патентке ие болды.
1945 жылы Уильям Шокли өрістік жартылай өткізгіш күшейткіш тұжырымдамасын ұсынды. Көлденең электр өрісін қолдану жартылай өткізгіш қабаттың өткізгіштігін өзгертеді деген идея болды. Өкінішке орай, бұл әсер тәжірибе жүзінде байқалған жоқ. Джон Бардин бұл материалдың көп бөлігін өрістен қорғайтын беттік күйлерге байланысты деп ойлады (Cурет 2). Оның беттік теориясы 1947 жылы жарияланды [14].
Дала құрылғыларында жұмыс істеу кезінде 1947 жылы желтоқсанда Джон Бардин мен Уолтер Браттайн германий нүктелік транзисторын құрастырды (3-сурет) және бұл құрылғы қуаттың өсуін қамтамасыз ететінін көрсетті. Алайда транзистордың жұмысына жауапты механизмге қатысты белгісіздік болды.
Бардин мен Браттейн жаңа құрылғының жұмысында беткі құбылыстардың басым рөл атқаратынына сенімді болды, ал Шокли азшылық тасымалдаушылардың көлемді өткізгіштігін жақсы көрді. Шамамен бір айдан кейін ол p-n өткелінің және өтпелі транзистордың теориясын жасады. Шокли, Бардин және Браттейн 1956 жылы физика бойынша Нобель сыйлығын алды (Джон Бардин 1972 жылы асқын өткізгіштік теориясы үшін тағы бір сыйлықты алды). 1948 жылы ақпанда Джон Шив өте жұқа германий кесіндісінің (0,01 см) қарама-қарсы жағында орналасқан эмиттері мен коллекторы бар дұрыс жұмыс істейтін нүктеден нүктеге транзисторды көрсетті. Бұл конфигурация өткізгіштіктің шынымен де бет бойымен емес, көлемді түрде орын алғанын көрсетті (бет бойымен эмитент пен коллектор арасындағы қашықтық әлдеқайда үлкен болады). Содан кейін ғана Шокли өзінің әріптестеріне транзистордың жұмыс істеу теориясын ұсынды.
Бірінші нүктелік транзисторларды шығара бастады. Олар өте тұрақсыз болды және электрлік сипаттамаларын басқару қиын болды. 1952 жылы өсірілген түйіні бар алғашқы транзисторлар шығарылды. Олар бұрынғы нүктелерден әлдеқайда жақсы болды, бірақ өндіру әлдеқайда қиын болды. Күрделі қоспа процедурасының нәтижесінде өсірілген кристал n-p-n құрылымын құрайтын үш аймақтан тұрды. Оны бөлек құрылғыларға кесіп, контактілерді орнату керек болды. Процесс күрделі және оңай автоматтандыру мүмкін емес еді. Сонымен қатар, көптеген жартылай өткізгіш материалдар ысырап болды. 1952 жылы легирленген қосылыс транзисторы туралы хабарланды (екі индий түйіршіктері кремний бөлігінің қарама-қарсы жағында біріктірілген). Оның өндірісі қарапайым және материалды аз қажет етеді және кем дегенде ішінара автоматтандырылуы мүмкін. 1954 жылы бірінші диффузиялық Ge транзисторы туралы хабарланды (диффузия базалық аймақты қалыптастыру үшін қолданылды және эмитент біріктірілді) тән меза пішіні бар. Негізгі ені 1 мкм және кесу жиілігі 500 МГц болды. Кремний транзисторлары кері токтардың төмен болуына байланысты көптеген қолданбалар үшін германий транзисторларынан жоғары болады деп жалпы қабылданған. Бірінші коммерциялық қол жетімді кремний құрылғыларын (өсірілетін түйін) 1954 жылы Гордон Тил жасаған. Бірінші диффузиялық Si-транзистор 1955 жылы пайда болды. Ажырасу кернеуін тым төмендетпей жұмыс жылдамдығын шектейтін коллектордың меншікті кедергісін азайту үшін Джон Эрли екі қабаттан тұратын коллекторды ойлап тапты, яғни жоғары кедергісі жоғары қабаттың үстіне. бір доп. Қосымша эпитаксиалды қабаты бар транзистор туралы 1960 жылы хабарланды. Сол жылы Жан Хорни жазық транзисторды (негіздік және эмитенттік аймақтарда диффузия) ұсынды. Маска қызметін атқарған оксид жойылмай, пассивтендіруші қабат рөлін атқарды [15].
Жылдамдықты одан әрі жақсартуды Герберт Кремер ұсынды. Кірістірілген электр өрісін градиентті қоспа арқылы негізге енгізуге болады. Ол негізге электр өрісін енгізудің тағы бір тәсілі жартылай өткізгіш материалдың құрамын бағалау болды, нәтижесінде тегіс жолақ саңылауы болды. Бұл гетероструктуралық концепцияны құрастыру мәселелеріне байланысты іс жүзінде оңай іске асыру мүмкін емес [17].
Жартылай өткізгіштер сәулелену мен сәулеленуді анықтау үшін кеңінен қолданылады. Жартылай өткізгіштің сәулесі туралы алғашқы есеп 1907 жылы Х.Дж.Раунд жазбасында пайда болды. Бұл салада іргелі жұмыстарды, атап айтқанда, Лосев жүргізді. Жарық диодтарының дамуының өте қызықты сипаттамасын табуға болады, ал фотоэлектрдің тарихы [16] қарастырылады.
Алғашқы жартылай өткізгіш лазерлерді 1962 жылы төрт американдық зерттеу тобы әзірледі. Бұл саладағы одан әрі зерттеулер екі бағытты ұстанды: толқын ұзындығының кең диапазонына арналған материалдардың кең ауқымы және жаңа құрылғы құрылымдарының тұжырымдамасы. Герберт Кремер мен Жорес Алферов гетероқұрылымдар негізінде жартылай өткізгіш лазерлерді жасау идеясын өз бетінше алға тартты.
Жорес Алферов 1953 жылы p-n өтуі бар алғашқы кеңестік транзисторды жасаған топтың мүшесі болды. Отандық ядролық сүңгуір қайықтар үшін мамандандырылған жартылай өткізгіш құрылғыларды жасауға бағытталған зерттеулерге тікелей қатысты. Бұл істің Кеңес өкіметі үшін маңызды болғаны сонша, ол жұмыстың тезірек аяқталуын қалайтын өте жоғары мемлекеттік шенеуніктерден қоңырау шалды.
Бұл өтініштерді орындау үшін Алферов зертханаға көшіп, сол жерде өмір сүруге мәжбүр болды [17]. Кейінірек ол қуат құрылғыларында жұмыс істеп, p-i-n және p-n-n құрылымдарымен таныс болды. Жартылай өткізгішті лазерлер туралы алғашқы есеп пайда болған кезде, ол бұл құрылғыларда p-i-n типті қос гетероқұрылымдарды қолдану керектігін түсінді. Ол бірінші практикалық гетероструктуралық құрылғыларды және бірінші гетероструктуралық лазерді алды [17]. 2000 жылы Алферов пен Кремер жоғары жылдамдықта және оптоэлектроникада қолданылатын жартылай өткізгіш гетероқұрылымдар саласындағы жетістіктері үшін физика бойынша Нобель сыйлығын алды.
Ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш ретінде кремнийді біздің заманымыздың ақпарат тасымалдаушысы деп санауға болады. Ақпарат тарихында екі революция болды (аралығы 500 жылдай). Біріншісі ақпаратты көпшілікке қолжетімді еткен Иоганнес Гутенберг болса, екіншісі транзистордың өнертабысы болды. Қазіргі уақытта дүниежүзілік ақпарат көлемі жыл сайын екі есе артып келеді. Біз кәдімгідей қабылдайтын көптеген нәрселер (мысалы, компьютерлер, Интернет және ұялы телефондар) кремний микроэлектроникасысыз мүмкін емес еді. Электрондық схемалар автомобильдерде, тұрмыстық техникада, машиналарда және т.б. бар. Күнделікті өмірде бірдей маңызды оптоэлектрондық құрылғылар, мысалы, деректерді беру және сақтау үшін талшықты-оптикалық байланыстар (CD және DVD жазғыштар), сандық камералар және т.б.
Жартылай өткізгіш электроника пайда болғаннан бері интегралдық схемадағы транзисторлар саны уақыт өте келе экспоненциалды түрде өсті. Бұл үрдісті алғаш рет Гордон Мур байқап, Мур заңы деп атады. Мұнда сериялық Intel процессорларындағы транзисторлар саны уақыт функциясы ретінде берілген [18].
Электроникадағы жартылай өткізгіш құрылғылардың кейбір негізгі рөлдері:
Коммутация: жартылай өткізгіш құрылғылардың негізгі функцияларының бірі - коммутация. Ең көп қолданылатын жартылай өткізгіш құрылғылар болып табылатын транзисторлар электр тогының ағынын басқаратын электронды қосқыштар ретінде әрекет етеді. Транзисторға берілетін орын ауыстыру мен кернеуді басқару арқылы ол сандық логикалық операциялардың орындалуын қамтамасыз ететін және электрондық тізбектердің жұмысын жеңілдететін ток ағынына рұқсат бере алады немесе бұғаттай алады.
Күшейту: жартылай өткізгіш құрылғылар әлсіз электр сигналдарын күшейту үшін қажет. Әдетте транзисторлар арқылы жасалған күшейткіштер сигналдардың амплитудасын арттырады, бұл оларды тиімді өңдеуге және электронды жүйелер арқылы жіберуге мүмкіндік береді. Бұл күшейту мүмкіндігі аудио, сымсыз және деректерді беру сияқты қосымшаларда өте маңызды.
Сигналдарды өңдеу: жартылай өткізгіш құрылғылар электроникада сигналдарды өңдеудің әртүрлі функцияларын қамтамасыз етеді. Көптеген өзара байланысты жартылай өткізгіш құрылғылардан тұратын интегралды схемалар (IC) сүзу, модуляция, демодуляция және жиілікті түрлендіру сияқты күрделі сигналдарды өңдеу тапсырмаларын орындауға қабілетті. Бұл функциялар аудио және бейне өңдеу, сигналдарды қалыптастыру және электрондық жүйелердегі деректерді басқару сияқты тапсырмалар үшін өте маңызды.
Жадты сақтау: жартылай өткізгіш құрылғылар деректерді жадта сақтауда да маңызды рөл атқарады. Электрондық құрылғыларда сандық ақпаратты сақтау үшін динамикалық кездейсоқ қол жетімді жад (DRAM) және флэш-жад сияқты арнайы жартылай өткізгіш құрылғылары бар интегралды схемалар қолданылады. Бұл сақтау құрылғылары шағын портативті құрылғылардан бастап ауқымды есептеу жүйелеріне дейінгі электрондық жүйелерде деректерді сақтауға, алуға және өңдеуге мүмкіндік береді.
Зондтау және анықтау: жартылай өткізгіштер әртүрлі датчиктер мен детекторларда қолданылады. Мысалы, фотодиодтар мен фототранзисторлар жартылай өткізгіш материалдың жарық энергиясын электр сигналдарына айналдыру қабілетін пайдаланады, бұл жарық пен сенсорлық қосымшаларды анықтауға мүмкіндік береді. Сол сияқты, жартылай өткізгіштерге негізделген температура, қысым және газ датчиктері физикалық шамаларды өлшеу және анықтау үшін жартылай өткізгіштердің электрлік қасиеттерін пайдаланады.
Қуатты басқару және түрлендіру: жартылай өткізгіш құрылғылар қуатты басқару және түрлендіру жүйелерінде қолданылады. Қуат транзисторлары мен тиристорлар сияқты қуатты электронды құрылғылар қуат көздері, электр жетектері, жаңартылатын энергия жүйелері және электромобильдер сияқты жүйелерде электр энергиясын тиімді басқаруға және түрлендіруге мүмкіндік береді. Бұл құрылғылар қуатты жоғары тиімділік пен дәлдікпен реттеуді, түрлендіруді және ауыстыруды жеңілдетеді.
Электроникадағы жартылай өткізгіш құрылғылардың рөлдері өте үлкен және әртүрлі, қарапайым коммутациялық функциялардан бастап күрделі сигналдарды өңдеуге және жадта сақтауға дейін. Олардың бірегей электрлік қасиеттері мен өңдеуі оларды әртүрлі электронды жүйелерді жобалау және пайдалану үшін қажет етеді, бұл телекоммуникация, Есептеу техникасы, тұрмыстық электроника, автомобиль, аэроғарыш және т.б. сияқты салаларда озық технологияларды дамытуға мүмкіндік береді.
1.2 Орта мектепте Жартылай өткізгіштердегі электр тогы тақырыбын оқытудың қолданыстағы әдістемесіне талдау
Негізгі физика бойынша мектеп оқулықтарын қарастырғанда қарастырылып отырған тарауға қатысты тақырыптар мазмұнға еніп, жоғарғы сынып оқушыларының оқитынын атап өтуге болады. Мысалы, 10 сынып оқулығын (1.1 Сурет) алайық, авторлары Б.А.Кронгарт, Д.М.Қазақбаева, О.Имамбеков, Т.Қыстаубаев. Жартылай өткізгіштер тақырыбы мұнда Электродинамика бөлімінің Әртүрлі ортадағы электр тогы тармағында қарастырылған [19]. Оқушылар осы жерден жартылай өткізгіштің анықтамасын, оларға не жататынын және олардың өткізгіштер мен диэлектриктерден айырмашылығын біледі. Бұл тақырыптың логикалық жалғасы тек 11 сынып курсында ғана бар, онда Тұрақты электр тогы тарауында аттас абзацтағы жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісі туралы айтылады. Басқаша айтқанда, жоғарғы сынып оқушылары қарастырылатын заттардың класы туралы, олардың басқа заттар түрлерінен негізгі айырмашылығы туралы бастапқы түсініктерді алады.
Сурет 1.1 - жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 10-сыныбына арналған оқулық
Сонымен қатар, физиканы бейіндік зерттеуге арналған оқулықтарды зерделей отырып, жартылай өткізгіштерде болатын барлық негізгі процестер осы жерде тереңірек зерттелген деп сенімді түрде қорытынды жасауға болады. Мысалы, редакциялаған нұсқаулықта А.А. Пинский мен О.Ф.Кабардин Әртүрлі ортадағы электр тогы тарауында Жартылай өткізгіштердегі электр тогы және Тұйықталу қабатының бір жақты өткізгіштігі сияқты тақырыптарды ұсынады. Сондай-ақ, мұнда зерттеу үшін жартылай өткізгіш диод және биполярлы транзистор сияқты құрылғылар алынады.
Оқулықтардың маңызды кемшілігі - құрылғыға және өрістік транзистордың жұмыс принципіне әсер ететін тақырыптың болмауы. Оны зерттеу қажеттілігі ондағы процестердің физикасы биполярлы транзистор физикасына қарағанда қарапайым немесе кем дегенде күрделі емес екендігіне байланысты. Сондай-ақ өрістік транзисторды зерттеудің маңыздылығы оның қазіргі интегралдық схемаларының негізі болып табылады.
Қазіргі таңда орта мектеп оқушыларын заман талабына сай оқыту арнайы оқыту әдістері мен жаңа педагогикалық технологияларды игеруді талап етеді. Сондықтан оқу орындарының оқытушылары ізденушілердің осы бағытта жарияланған жұмыстарының нәтижелерін ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz