Номер 1, страница 384 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудить в классе. Параграф 116. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость. Глава 16. Электрический ток в различных средах - номер 1, страница 384.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Как влияет собственная проводимость на силу тока в проводнике с одним из типов примесной проводимости

Сила тока в проводнике, согласно закону Ома для участка цепи, прямо пропорциональна его проводимости. В полупроводниках общая проводимость складывается из двух компонент: собственной и примесной. Рассмотрим их совместное влияние на итоговую силу тока.

Собственная проводимость ($σ_i$) — это проводимость химически чистого полупроводника. Она обусловлена тепловой генерацией пар носителей заряда «электрон-дырка», когда из-за тепловых колебаний решетки разрываются ковалентные связи. Концентрация электронов в зоне проводимости ($n_i$) равна концентрации дырок в валентной зоне ($p_i$). Эта проводимость очень мала при низких температурах, но экспоненциально возрастает с их повышением.

Примесная проводимость ($σ_{imp}$) возникает при легировании — добавлении в полупроводник примесей. В зависимости от типа примеси создается избыток либо свободных электронов (полупроводник n-типа), либо дырок (полупроводник p-типа). Эти носители заряда называются основными, и их концентрация при комнатной температуре обычно на много порядков превышает концентрацию собственных носителей ($n_i$). Именно примесная проводимость обеспечивает полезные свойства полупроводниковых приборов.

В любом примесном полупроводнике, например, n-типа, существуют одновременно оба механизма генерации носителей. Общая концентрация электронов складывается из электронов, предоставленных донорной примесью, и электронов, появившихся в результате тепловой генерации (в паре с дыркой). Дырки же появляются только за счет тепловой генерации и являются неосновными носителями. Влияние собственной проводимости на общую силу тока кардинально зависит от температуры.

При низких и комнатных температурах, концентрация основных носителей, созданных примесью (например, электронов $N_d$ в n-типе), значительно превышает концентрацию собственных носителей ($N_d \gg n_i$). Вклад от термически сгенерированных пар «электрон-дырка» в общую проводимость пренебрежимо мал. Сила тока почти полностью определяется примесной проводимостью, то есть концентрацией и подвижностью основных носителей.

При высоких температурах ситуация меняется. Концентрация собственных носителей $n_i$ экспоненциально увеличивается с ростом температуры. Наступает момент, когда $n_i$ становится сравнимой с концентрацией примеси $N_d$, а затем и превосходит ее. В этом случае собственная проводимость начинает играть доминирующую роль. Она добавляет значительное количество как электронов, так и дырок, что приводит к резкому росту общей проводимости полупроводника и, соответственно, силы тока. При очень высоких температурах примесный полупроводник по своим свойствам приближается к собственному.

Ответ: Собственная проводимость всегда присутствует в примесном полупроводнике, но ее влияние на силу тока зависит от температуры. При невысоких температурах ее вклад пренебрежимо мал по сравнению с примесной проводимостью, и сила тока определяется в основном концентрацией примеси. С ростом температуры вклад собственной проводимости резко возрастает из-за экспоненциального увеличения числа термически сгенерированных пар «электрон-дырка», что приводит к значительному увеличению общей силы тока. Таким образом, собственная проводимость определяет сильную температурную зависимость электропроводности примесных полупроводников в области высоких температур.