Номер 4, страница 384 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 116. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость. Глава 16. Электрический ток в различных средах - номер 4, страница 384.

Условие.

Решение.

Решение 3.

При встрече электрона с дыркой в полупроводнике происходит процесс, называемый рекомбинацией. Этот процесс является обратным по отношению к процессу генерации электронно-дырочных пар (когда электрон получает энергию и покидает свое место в ковалентной связи, создавая свободный электрон и дырку).

Для понимания этого явления важно определить его участников в контексте физики полупроводников:

• Электрон — это свободный электрон, находящийся в зоне проводимости. Он обладает большей энергией, чем электроны, участвующие в ковалентных связях, и является подвижным носителем отрицательного заряда.

• Дырка — это не реальная частица, а квазичастица, представляющая собой вакантное место (отсутствие электрона) в валентной зоне, то есть в ковалентной связи. Дырка условно рассматривается как подвижный носитель положительного заряда.

Процесс рекомбинации заключается в том, что свободный электрон, двигаясь по кристаллу, «падает» в дырку, то есть занимает это вакантное место в ковалентной связи. В результате этого происходит два основных события:

1. Исчезновение пары носителей заряда. Свободный электрон перестает быть свободным и становится связанным, а дырка как вакансия исчезает. Таким образом, пара подвижных носителей заряда — электрон и дырка — аннигилирует, что приводит к уменьшению электропроводности материала.

2. Выделение энергии. Электрон в зоне проводимости имеет более высокую энергию, чем в валентной зоне. При переходе с высокого энергетического уровня на низкий (то есть при «падении» в дырку) избыток энергии должен выделиться. Величина этой энергии примерно равна ширине запрещенной зоны полупроводника ($E_g$).

Энергия может выделяться двумя основными способами:

• Излучательная рекомбинация, при которой энергия выделяется в виде кванта света — фотона. Энергия фотона $E_{ф}$ как раз и определяется шириной запрещенной зоны: $E_{ф} \approx E_g$. Этот эффект лежит в основе работы светодиодов (LED) и полупроводниковых лазеров.

• Безызлучательная рекомбинация, при которой энергия передается кристаллической решетке, вызывая ее колебания, что приводит к нагреву полупроводника. Энергия выделяется в виде фононов (квантов колебательного движения решетки).

Ответ: При встрече электрона с дыркой происходит их рекомбинация: электрон занимает вакантное место (дырку), в результате чего исчезает пара свободных носителей заряда, а избыточная энергия, равная примерно ширине запрещенной зоны, выделяется в виде света (фотона) или тепла (фононов).