Номер 7, страница 338 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

7. Дайте определение полупроводников, опишите их особенности. Сравните полупроводники с проводниками.

Определение полупроводников

Полупроводники — это вещества, которые по своей удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (изоляторами). Их удельное сопротивление $\rho$ находится в широком диапазоне, примерно от $10^{-5}$ до $10^8$ Ом·м. К типичным полупроводникам относятся элементы четвертой группы таблицы Менделеева, такие как кремний (Si) и германий (Ge), а также различные химические соединения, например, арсенид галлия (GaAs).

С точки зрения зонной теории твердого тела, полупроводники характеризуются наличием запрещенной зоны — энергетического промежутка между полностью заполненной электронами валентной зоной и пустой зоной проводимости. Ширина этой запрещенной зоны $E_g$ у полупроводников невелика (обычно в пределах 0.1–3 эВ). При температуре абсолютного нуля ($T=0$ К) полупроводник является изолятором. Однако при более высоких температурах или под действием внешних факторов (например, света) электроны могут получить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости, становясь свободными носителями заряда. На месте ушедшего электрона в валентной зоне образуется положительно заряженная квазичастица, называемая «дыркой», которая также способна перемещаться и создавать электрический ток.

Особенности полупроводников

1. Сильная зависимость проводимости от температуры. В отличие от металлов, у которых сопротивление растет с температурой, у полупроводников удельное сопротивление с ростом температуры экспоненциально уменьшается. Это связано с резким увеличением концентрации носителей заряда (электронов и дырок) за счет тепловой энергии.

2. Примесная проводимость. Электрические свойства полупроводников можно целенаправленно изменять в очень широких пределах путем введения малого количества атомов примеси. Этот процесс называется легированием.
• Полупроводники n-типа (от negative — отрицательный) получают при добавлении донорной примеси (например, фосфора в кремний), атомы которой имеют больше валентных электронов, чем атомы основного вещества. Эти «лишние» электроны легко становятся свободными, и основными носителями заряда в таком материале являются электроны.
• Полупроводники p-типа (от positive — положительный) получают при добавлении акцепторной примеси (например, бора в кремний), атомы которой имеют меньше валентных электронов. Это приводит к образованию «дырок», которые ведут себя как положительные заряды и являются основными носителями в данном типе полупроводника.

3. Фотопроводимость. Проводимость полупроводников может значительно возрастать при их освещении. Если энергия квантов света (фотонов) $h\nu$ больше или равна ширине запрещенной зоны $E_g$, то свет поглощается, генерируя дополнительные пары электрон-дырка и, таким образом, увеличивая концентрацию носителей заряда.

Сравнение полупроводников с проводниками

Ключевые различия между полупроводниками и проводниками (металлами) заключаются в следующем:

• Механизм проводимости и носители заряда: В проводниках ток создается движением только свободных электронов. В полупроводниках в проводимости участвуют два типа носителей заряда: электроны и дырки.

• Концентрация носителей заряда: В металлах концентрация свободных электронов очень велика (порядка $10^{28}$ м⁻³) и практически не зависит от температуры. В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда на много порядков ниже и сильно (экспоненциально) растет с температурой.

• Влияние температуры на сопротивление: У проводников с ростом температуры сопротивление увеличивается из-за усиления рассеяния электронов на колебаниях и дефектах кристаллической решетки (положительный температурный коэффициент сопротивления). У полупроводников, наоборот, сопротивление с ростом температуры падает, так как эффект от увеличения концентрации носителей заряда преобладает над эффектом их рассеяния (отрицательный температурный коэффициент сопротивления).

• Влияние примесей: В проводниках любые примеси приводят к увеличению сопротивления, так как они нарушают периодичность решетки и служат дополнительными центрами рассеяния электронов. В полупроводниках введение легирующих примесей, как правило, резко увеличивает проводимость (уменьшает сопротивление) на много порядков, так как создает большое количество основных носителей заряда.

• Зонная структура: У проводников зона проводимости либо перекрывается с валентной зоной, либо частично заполнена, что обеспечивает наличие свободных электронов при любой температуре. У полупроводников есть запрещенная зона, которую носители заряда должны преодолеть.

Ответ:
Полупроводники – это класс материалов, занимающих по электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их фундаментальные особенности, отличающие их от проводников: 1) наличие запрещенной зоны в энергетической структуре; 2) два типа носителей заряда — электроны и дырки; 3) сильная зависимость проводимости от температуры (сопротивление падает при нагреве), освещенности и, что наиболее важно, от наличия примесей. Легирование позволяет управлять типом проводимости (n-тип или p-тип) и величиной проводимости в широчайших пределах. В отличие от них, проводники (металлы) имеют очень высокую, слабо зависящую от внешних факторов (кроме температуры) проводимость, один тип носителей заряда (электроны), и их сопротивление всегда растет с температурой. Эти уникальные свойства полупроводников являются основой всей современной микроэлектроники.