Номер 1, страница 101, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

1. При каких условиях полупроводник может стать диэлектриком?

1. Способность материала проводить электрический ток зависит от наличия в нем свободных носителей заряда. В твердых телах, согласно зонной теории, электроны могут находиться либо в валентной зоне (где они связаны с атомами и не участвуют в проводимости), либо в зоне проводимости (где они становятся свободными и могут перемещаться под действием электрического поля). Между этими зонами находится так называемая запрещенная зона — область энергий, которыми электроны обладать не могут.

У диэлектриков ширина запрещенной зоны очень велика (например, $E_g > 3$ эВ). В обычных условиях у электронов недостаточно энергии, чтобы преодолеть этот барьер и перейти в зону проводимости. Поэтому в диэлектриках практически нет свободных носителей заряда, и они не проводят ток.

У полупроводников ширина запрещенной зоны значительно меньше (например, для кремния $E_g \approx 1.12$ эВ, для германия $E_g \approx 0.67$ эВ). При комнатной температуре тепловой энергии оказывается достаточно, чтобы некоторое количество электронов из валентной зоны перешло в зону проводимости. В результате в зоне проводимости появляются свободные электроны, а в валентной зоне — «дырки» (вакантные места с эффективным положительным зарядом). Наличие этих носителей и обеспечивает электропроводность полупроводников.

Ключевым фактором является температура. Концентрация собственных носителей заряда в полупроводнике экспоненциально зависит от температуры. При охлаждении полупроводника средняя тепловая энергия электронов уменьшается. Все меньшему числу электронов удается «перепрыгнуть» через запрещенную зону. Следовательно, концентрация свободных электронов и дырок резко снижается, а сопротивление материала возрастает.

В предельном случае, при температуре, стремящейся к абсолютному нулю ($T \to 0$ K), тепловое движение практически прекращается. Энергии электронов становится совершенно недостаточно для преодоления даже узкой запрещенной зоны. В результате валентная зона оказывается полностью заполненной электронами, а зона проводимости — полностью пустой. Свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник перестает проводить электрический ток, ведя себя как идеальный диэлектрик.

Ответ: Полупроводник может стать диэлектриком при охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нулю ($\text{0}$ К), и в отсутствие внешних воздействий (таких как свет), способных генерировать свободные носители заряда.