Номер 2, страница 101, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

2. Известно, что энергия, необходимая для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, у атомов металлов существенно меньше, чем у атомов полупроводников. Почему же тогда сопротивление полупроводников уменьшается при их освещении, а металлов — нет?

2. Решение:

Электрическое сопротивление материала определяется в первую очередь концентрацией свободных носителей заряда. Уменьшение сопротивления означает увеличение их концентрации и/или подвижности.

У полупроводников валентная зона (заполненная электронами) и зона проводимости (свободная) разделены энергетическим промежутком, который называется запрещенной зоной ($E_g$). В обычных условиях при комнатной температуре лишь небольшое число электронов обладает достаточной тепловой энергией, чтобы преодолеть этот барьер и перейти в зону проводимости, создавая небольшую концентрацию носителей заряда. Поэтому полупроводники имеют значительное сопротивление. Свет — это поток фотонов. Если энергия фотона ($E_{ф}$) больше или равна ширине запрещенной зоны ($E_{ф} \ge E_g$), то электрон в валентной зоне может поглотить фотон и получить достаточно энергии для перехода в зону проводимости. Этот процесс называется внутренним фотоэффектом. Каждый такой переход создает пару свободных носителей заряда: электрон в зоне проводимости и "дырку" (вакантное место) в валентной зоне. При достаточно интенсивном освещении генерируется большое количество таких пар, что приводит к значительному увеличению общей концентрации свободных носителей заряда. Это, в свою очередь, вызывает резкое уменьшение электрического сопротивления полупроводника.

У металлов принципиально иная зонная структура: их валентная зона и зона проводимости перекрываются. Это означает, что запрещенная зона отсутствует ($E_g \approx 0$), и в металле изначально существует огромная концентрация свободных электронов (порядка $10^{22}$ – $10^{23}$ см⁻³). Они могут свободно перемещаться по кристаллу, обеспечивая высокую электропроводность. Освещение, создавая дополнительные свободные электроны за счет поглощения фотонов, практически не меняет их общую гигантскую концентрацию, так как эта добавка пренебрежимо мала. Основной эффект, к которому приводит поглощение света в металле, — это увеличение энергии колебаний ионов кристаллической решетки, то есть нагрев. Усиление колебаний решетки увеличивает вероятность рассеяния на них свободных электронов, что уменьшает их подвижность. Уменьшение подвижности носителей заряда приводит не к уменьшению, а наоборот, к небольшому увеличению сопротивления металла.

Таким образом, ключевое различие заключается в том, что в полупроводниках освещение вызывает значительное относительное увеличение концентрации носителей заряда, что является доминирующим фактором. В металлах же этот эффект ничтожен, а преобладает эффект увеличения рассеяния электронов, который ведет к росту сопротивления.

Ответ: Сопротивление полупроводников при освещении уменьшается из-за резкого увеличения концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) в результате внутреннего фотоэффекта, так как энергия фотонов оказывается достаточной для преодоления запрещенной зоны. В металлах концентрация свободных электронов изначально очень велика и освещением практически не меняется; поглощенная энергия света приводит к нагреву и усилению колебаний кристаллической решетки, что увеличивает рассеяние электронов и вызывает небольшое увеличение, а не уменьшение сопротивления.