Номер 3, страница 165 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

3. Что такое собственная проводимость полупроводников?

3. Что такое собственная проводимость полупроводников?

Собственная проводимость полупроводников — это их электрическая проводимость в идеально чистом состоянии, то есть при отсутствии примесей и дефектов кристаллической решетки. Эта проводимость является внутренним свойством самого материала и не связана с внешними факторами, кроме температуры.

Механизм собственной проводимости объясняется зонной теорией твердого тела. В полупроводниках при температуре абсолютного нуля ($T=0$ K) валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Между ними находится запрещенная зона шириной $E_g$. В таком состоянии полупроводник не проводит электрический ток, так как нет свободных носителей заряда.

При повышении температуры ($T>0$ K) атомы кристаллической решетки совершают тепловые колебания. Некоторые электроны в валентной зоне могут получить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны ($E \ge E_g$), и перейти в зону проводимости. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочной пары. В результате в полупроводнике появляются два типа носителей заряда:

1. Электроны проводимости — это электроны, перешедшие в зону проводимости. Они могут свободно перемещаться по кристаллу и являются носителями отрицательного заряда.

2. Дырки — это вакантные (свободные) места с эффективным положительным зарядом, оставшиеся в валентной зоне после ухода электрона. Дырка может перемещаться, когда на ее место перескакивает электрон с соседней ковалентной связи, что эквивалентно движению положительного заряда в противоположном направлении.

Ключевой особенностью собственного полупроводника является то, что концентрация электронов проводимости ($n_i$) всегда равна концентрации дырок ($p_i$): $n_i = p_i$.

При приложении внешнего электрического поля оба типа носителей приходят в упорядоченное движение, создавая электрический ток. Электроны движутся против направления поля, а дырки — по направлению поля. Общая удельная проводимость ($\sigma_i$) складывается из электронной и дырочной компонент:

$\sigma_i = q \cdot n_i \cdot \mu_n + q \cdot p_i \cdot \mu_p = q \cdot n_i \cdot (\mu_n + \mu_p)$

где $q$ — элементарный заряд, $\mu_n$ и $\mu_p$ — подвижности электронов и дырок соответственно.

Собственная проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Концентрация собственных носителей заряда $n_i$ растет с температурой по экспоненциальному закону, который приблизительно описывается выражением, пропорциональным $e^{-\frac{E_g}{2kT}}$, где $k$ — постоянная Больцмана, а $T$ — абсолютная температура. Поэтому, в отличие от металлов, у которых проводимость с ростом температуры падает, у полупроводников собственная проводимость экспоненциально возрастает.

Ответ:

Собственная проводимость полупроводников — это электропроводность химически чистых полупроводников, обусловленная движением свободных электронов и дырок, которые образуются в равных количествах в результате тепловой генерации (разрыва ковалентных связей). Эта проводимость очень мала при низких температурах и экспоненциально возрастает с повышением температуры.