Ответьте на вопросы, страница 159 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему при комнатной температурепроводимость полупроводников незначительная?

2. Почему при увеличении освещенности и температуры окружающей средыпроводимость полупроводников возрастает?

1. Почему при комнатной температуре проводимость полупроводников незначительная?

Проводимость вещества определяется наличием в нем свободных носителей заряда. В полупроводниках при низких температурах (близких к абсолютному нулю) все электроны находятся в валентной зоне и участвуют в образовании ковалентных связей между атомами в кристаллической решетке. Зона проводимости при этом пуста, свободных носителей заряда нет, и полупроводник ведет себя как диэлектрик.

При комнатной температуре (около $293-298$ К) атомы решетки совершают тепловые колебания. Энергия этих колебаний может оказаться достаточной, чтобы разорвать некоторые ковалентные связи. В результате электрон получает энергию, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости, становясь свободным носителем отрицательного заряда. На его месте в валентной зоне остается вакансия — «дырка», которая ведет себя как положительно заряженная частица и также является носителем заряда.

Однако ширина запрещенной зоны (энергетического зазора между валентной зоной и зоной проводимости) у полупроводников достаточно велика по сравнению со средней энергией теплового движения частиц при комнатной температуре. Например, для кремния ширина запрещенной зоны составляет около $1.12$ эВ, в то время как средняя тепловая энергия $kT$ при $T=300$ К равна примерно $0.026$ эВ. Из-за этого лишь очень небольшое количество электронов способно преодолеть этот энергетический барьер. Таким образом, концентрация свободных электронов и дырок при комнатной температуре мала, что и обуславливает незначительную электрическую проводимость.

Ответ: При комнатной температуре лишь незначительная часть электронов обладает достаточной тепловой энергией, чтобы разорвать ковалентные связи и перейти в зону проводимости, так как энергия теплового движения значительно меньше ширины запрещенной зоны. Это приводит к низкой концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) и, следовательно, к незначительной проводимости.

2. Почему при увеличении освещенности и температуры окружающей среды проводимость полупроводников возрастает?

Проводимость полупроводников напрямую зависит от концентрации свободных носителей заряда — электронов и дырок. Увеличение температуры или освещенности приводит к генерации дополнительных носителей заряда, что и вызывает рост проводимости.

При увеличении температуры: С ростом температуры увеличивается внутренняя энергия кристалла, и тепловые колебания атомов в решетке становятся интенсивнее. Это приводит к тому, что все большее число электронов получает энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и перехода из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс, называемый тепловой генерацией, создает новые пары «электрон-дырка». Так как концентрация носителей заряда экспоненциально растет с температурой, проводимость полупроводника также резко возрастает. В этом заключается их принципиальное отличие от металлов, проводимость которых с ростом температуры падает.

При увеличении освещенности: Свет состоит из фотонов, каждый из которых несет энергию $E=hf$, где $h$ — постоянная Планка, а $f$ — частота света. Если энергия фотона больше или равна ширине запрещенной зоны полупроводника ($E \ge E_g$), то, поглощаясь в полупроводнике, фотон передает свою энергию электрону в валентной зоне. Эта энергия позволяет электрону разорвать связь и перейти в зону проводимости, в результате чего также образуется пара «электрон-дырка». Этот процесс называется внутренним фотоэффектом или фотогенерацией. Чем выше освещенность (интенсивность света), тем большее количество фотонов падает на полупроводник в единицу времени, и тем больше носителей заряда генерируется. Увеличение их концентрации и приводит к росту проводимости.

Ответ: При увеличении температуры возрастает число электронов, получающих достаточную тепловую энергию для перехода в зону проводимости. При увеличении освещенности электроны получают энергию от поглощаемых фотонов света. Оба этих процесса ведут к увеличению концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок), что и является причиной роста проводимости полупроводника.