Номер 3, страница 101, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

3. Четырехвалентныйкремний с примесью пятивалентного мышьяка приобретает преимущественно электронную проводимость. В чем различие между полупроводником с электронной проводимостью и металлом?

Хотя и в полупроводнике с электронной проводимостью (n-типа), и в металле основными носителями заряда являются электроны, между этими материалами существуют принципиальные различия, касающиеся концентрации носителей, механизма проводимости и его зависимости от температуры.

1. Концентрация и происхождение носителей заряда

В металлах концентрация свободных электронов чрезвычайно высока (порядка $10^{28} - 10^{29}$ электронов на м³) и практически не зависит от температуры. Эти электроны являются "обобществленными" и образуют так называемый электронный газ, свободно перемещающийся по всей кристаллической решетке.

В полупроводнике n-типа, таком как кремний с примесью мышьяка, концентрация свободных электронов значительно ниже. Она определяется количеством введенных атомов примеси (доноров) и сильно зависит от температуры. Электроны проводимости появляются в результате тепловой ионизации донорных атомов (атом мышьяка, имеющий 5 валентных электронов, отдает один электрон в зону проводимости, чтобы образовать 4 ковалентные связи с атомами кремния). Кроме электронов, в полупроводнике всегда есть и дырки, но в n-типе они являются неосновными носителями заряда и их концентрация пренебрежимо мала по сравнению с концентрацией электронов.

2. Зависимость удельного сопротивления от температуры

Удельное сопротивление металлов растет с повышением температуры. Это связано с тем, что при нагреве ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой, что увеличивает вероятность рассеяния на них свободных электронов и, следовательно, мешает их упорядоченному движению (току).

Удельное сопротивление полупроводников, наоборот, падает при нагревании. Причиной этому служит то, что с ростом температуры резко увеличивается концентрация свободных носителей заряда (электронов). Все большее число электронов получает энергию, достаточную для перехода с донорных уровней в зону проводимости. Этот эффект увеличения числа носителей заряда оказывается значительно сильнее, чем эффект уменьшения их подвижности из-за рассеяния на колебаниях решетки, что и приводит к росту проводимости (падению сопротивления).

3. Энергетическая зонная структура

В металлах зона проводимости и валентная зона перекрываются, либо зона проводимости заполнена электронами лишь частично. Это означает, что над заполненными электронами энергетическими уровнями есть свободные, и для перемещения электрона на такой уровень (то есть для придания ему способности двигаться под действием поля) не требуется энергия. Поэтому в металлах всегда есть свободные носители заряда.

В полупроводниках валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. В полупроводнике n-типа атомы примеси создают в запрещенной зоне дополнительные (донорные) энергетические уровни, которые расположены очень близко к дну зоны проводимости. Чтобы электрон стал свободным носителем заряда, ему необходимо получить небольшую энергию, достаточную для перехода с донорного уровня в зону проводимости.

Ответ: Основные различия между полупроводником с электронной проводимостью и металлом заключаются в:

1) Концентрации носителей заряда: в металлах она огромна и постоянна, в полупроводниках — значительно меньше и сильно зависит от температуры и концентрации примеси.

2) Температурной зависимости сопротивления: у металлов сопротивление растет с температурой, у полупроводников — падает.

3) Зонной структуре: у металлов нет запрещенной зоны между доступными для электронов состояниями, у полупроводников она есть, и проводимость обеспечивается переходом электронов в зону проводимости с донорных уровней.