Номер 8, страница 338 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

8. Охарактеризуйте поведение полупроводников при различных внешних воздействиях. Приведите примеры их применения в науке и технике.

Охарактеризуйте поведение полупроводников при различных внешних воздействиях.

Полупроводники – это материалы, занимающие по своей электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Ключевой особенностью полупроводников является сильная зависимость их электрических свойств от различных внешних факторов, что обусловлено их зонной структурой – наличием запрещенной зоны ($E_g$) небольшой ширины между валентной зоной и зоной проводимости.

Влияние температуры: В отличие от металлов, у которых сопротивление растет с температурой, у полупроводников сопротивление с ростом температуры падает (а проводимость, соответственно, растет). При абсолютном нуле ($T=0$ K) собственный (чистый) полупроводник ведет себя как диэлектрик. С повышением температуры тепловая энергия ($\text{kT}$) становится достаточной для того, чтобы электроны переходили из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочной пары. Увеличение концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) приводит к резкому росту электропроводности.

Влияние освещения: Если полупроводник освещать светом, энергия фотонов которого ($h\nu$) превышает или равна ширине запрещенной зоны ($h\nu \ge E_g$), то фотоны будут поглощаться, создавая дополнительные электронно-дырочные пары. Это явление называется внутренним фотоэффектом или фотопроводимостью. В результате освещения концентрация носителей заряда увеличивается, что приводит к росту проводимости полупроводника.

Влияние примесей (легирование): Это не столько внешнее воздействие, сколько фундаментальный способ управления свойствами полупроводников. Введение в кристалл атомов других элементов позволяет создавать полупроводники с заранее заданными свойствами.

• Полупроводники n-типа: Создаются введением донорной примеси (например, фосфора в кремний). Атомы примеси имеют лишний валентный электрон, который легко становится свободным. В таком полупроводнике основными (мажоритарными) носителями заряда являются электроны.
• Полупроводники p-типа: Создаются введением акцепторной примеси (например, бора в кремний). У атомов примеси не хватает электрона для образования всех связей, что создает «дырку» – вакантное место для электрона. В p-полупроводниках основными носителями заряда являются дырки.

Влияние электрического поля: Приложение внешнего электрического поля вызывает направленное движение (дрейф) свободных электронов и дырок, что и представляет собой электрический ток. При достаточно сильных полях может возникнуть лавинный пробой, когда носители заряда, ускоренные полем, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов решетки и порождения новых электронно-дырочных пар.

Влияние магнитного поля: При протекании тока через полупроводник, помещенный в перпендикулярное магнитное поле, на его боковых гранях возникает разность потенциалов. Это явление называется эффектом Холла. Знак холловского напряжения позволяет однозначно определить тип основных носителей заряда (электроны или дырки), а его величина – их концентрацию.

Влияние механической деформации: Удельное сопротивление полупроводников заметно изменяется при их сжатии или растяжении. Этот эффект, называемый пьезорезистивным, значительно сильнее, чем у металлов.

Ответ: Проводимость полупроводников сильно зависит от внешних условий: она экспоненциально растет с повышением температуры и увеличивается при освещении из-за генерации дополнительных носителей заряда (электронно-дырочных пар). Свойства полупроводников целенаправленно изменяют путем легирования (введения примесей), создавая материалы n-типа или p-типа. Электрическое поле вызывает в них ток, магнитное поле приводит к возникновению эффекта Холла, а механическая деформация изменяет их сопротивление (пьезорезистивный эффект).

Приведите примеры их применения в науке и технике.

Уникальные свойства полупроводников и возможность управлять ими сделали эти материалы основой всей современной электроники и многих других областей науки и техники.

Диоды: Это устройства на основе p-n перехода. Они используются как:

• Выпрямители: преобразуют переменный ток в постоянный (в блоках питания).
• Светодиоды (LED): преобразуют электрический ток в световое излучение (в освещении, индикаторах, экранах).
• Фотодиоды и солнечные батареи: преобразуют световую энергию в электрическую (в датчиках света, оптоволоконной связи, солнечной энергетике).
• Стабилитроны (диоды Зенера): используются для стабилизации напряжения.

Транзисторы: Биполярные и полевые (например, МОП/MOSFET) транзисторы являются ключевыми элементами, способными усиливать электрические сигналы и работать в качестве электронных ключей. Они являются «кирпичиками» для построения интегральных микросхем, процессоров, микроконтроллеров и чипов памяти (ОЗУ, флеш-память). Практически вся цифровая техника, от смартфонов до суперкомпьютеров, построена на транзисторах.

Датчики (сенсоры):

• Термисторы и терморезисторы: используются для измерения температуры, так как их сопротивление сильно зависит от нее.
• Фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы: применяются в качестве датчиков освещенности (например, в системах автоматического включения света, в экспонометрах фотоаппаратов).
• Датчики Холла: используются для измерения напряженности магнитного поля, определения положения, скорости вращения (в двигателях, системах ABS).
• Тензодатчики: на основе пьезорезистивного эффекта применяются для измерения механических деформаций, силы и давления.

Силовая электроника: Мощные полупроводниковые приборы, такие как тиристоры и IGBT-транзисторы, управляют большими токами и напряжениями. Они используются в инверторах (например, для подключения солнечных панелей к сети), системах управления электродвигателями, источниках бесперебойного питания.

Оптоэлектроника: Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды) являются источниками когерентного света и применяются в проигрывателях CD/DVD/Blu-ray, в системах волоконно-оптической связи, лазерных принтерах и сканерах штрих-кодов.

Научные исследования:

• В физике высоких энергий (например, на Большом адронном коллайдере) огромные детекторы, состоящие из кремниевых пиксельных и стриповых сенсоров, используются для сверхточного отслеживания траекторий элементарных частиц.
• Детекторы из особо чистого германия (HPGe) или теллурида кадмия (CdTe) применяются для спектроскопии рентгеновского и гамма-излучения в ядерной физике, астрофизике, медицине и системах безопасности.

Ответ: Полупроводники являются основой современной техники. Главные примеры их применения: диоды (выпрямители, светодиоды, фотоэлементы), транзисторы (основа всех микросхем, процессоров и памяти), разнообразные датчики (температуры, света, магнитного поля, давления), приборы силовой электроники и оптоэлектронные устройства, такие как лазеры. В науке полупроводники используются для создания высокочувствительных детекторов частиц и излучений.