Номер 1, страница 376 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 114. Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов. Глава 16. Электрический ток в различных средах - номер 1, страница 376.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Проводники и полупроводники — это классы материалов, которые принципиально различаются по своей способности проводить электрический ток. Ключевые отличия лежат в их внутренней электронной структуре, а также в зависимости их электрических свойств от внешних факторов, таких как температура и наличие примесей.

Основное различие с точки зрения зонной теории

Фундаментальное отличие объясняется зонной теорией твердого тела, которая описывает разрешенные энергетические уровни для электронов в кристалле.

• Проводники (металлы). У них валентная зона (высшая зона, заполненная электронами) перекрывается с зоной проводимости (зоной, где электроны могут свободно двигаться). В результате в металлах всегда присутствует огромное количество свободных электронов, которые и обеспечивают высокую электропроводность. Энергетический барьер для движения электронов практически отсутствует. Их удельное сопротивление $\rho$ крайне низкое: $10^{-8} – 10^{-6}$ Ом·м.

• Полупроводники (кремний, германий). У них между полностью заполненной валентной зоной и пустой зоной проводимости существует запрещенная зона — промежуток энергий шириной $E_g$, которыми электроны обладать не могут. При абсолютном нуле температуры полупроводник является диэлектриком. Проводимость возникает, когда электроны получают достаточную энергию (от тепла, света) для "перепрыгивания" через запрещенную зону в зону проводимости. При этом в валентной зоне остается положительно заряженная "дырка", которая также участвует в переносе тока. Их удельное сопротивление $\rho$ занимает промежуточное положение: $10^{-5} – 10^{8}$ Ом·м.

Зависимость сопротивления от температуры

• Проводники. Сопротивление растет с повышением температуры. Это связано с тем, что тепловые колебания ионов кристаллической решетки усиливаются и мешают направленному движению свободных электронов, увеличивая их рассеяние.

• Полупроводники. Сопротивление падает с повышением температуры. Рост температуры приводит к экспоненциальному увеличению числа электронов и дырок (носителей заряда), способных преодолеть запрещенную зону. Этот эффект преобладает над увеличением рассеяния, поэтому общая проводимость резко возрастает.

Влияние примесей

• Проводники. Любые примеси нарушают идеальность кристаллической решетки, что ведет к дополнительному рассеянию электронов и, как правило, к увеличению сопротивления.

• Полупроводники. Введение контролируемого количества примесей (легирование) — основной способ управления их свойствами. Примеси создают в запрещенной зоне дополнительные энергетические уровни, что резко увеличивает концентрацию либо свободных электронов (n-тип проводимости), либо дырок (p-тип проводимости). Эта возможность является основой всей современной полупроводниковой электроники (диоды, транзисторы, микросхемы).

Ответ: Главные отличия проводников от полупроводников заключаются в следующем:

1. Строение энергетических зон: у проводников валентная зона и зона проводимости перекрыты, что обеспечивает постоянное наличие свободных носителей заряда; у полупроводников они разделены запрещенной зоной, которую носители заряда должны преодолеть.

2. Температурная зависимость сопротивления: у проводников сопротивление растет при нагревании, у полупроводников — падает.

3. Чувствительность к примесям: для проводников примеси вредны (увеличивают сопротивление), а для полупроводников легирование примесями является ключевой технологией для создания электронных приборов.