Ответьте на вопросы, страница 169 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему в полупроводниках при низких температурах преобладает примесная проводимость, а при высоких температурах – собственная проводимость?

2. Как повлияет на работу диода повышение температуры?

1. Почему в полупроводниках при низких температурах преобладает примесная проводимость, а при высоких температурах – собственная проводимость?

Проводимость в полупроводниках определяется наличием свободных носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Существует два основных механизма генерации этих носителей.

Примесная проводимость обусловлена наличием в кристаллической решетке полупроводника атомов примеси (доноров или акцепторов). Эти примеси создают локальные энергетические уровни в запрещенной зоне: донорные уровни находятся близко к дну зоны проводимости, а акцепторные — близко к потолку валентной зоны. Энергия, необходимая для ионизации атомов примеси (то есть для перехода электрона с донорного уровня в зону проводимости или с валентной зоны на акцепторный уровень), очень мала. Она обозначается как $ΔE_д$ для доноров и $ΔE_а$ для акцепторов.

Собственная проводимость возникает за счет разрыва ковалентных связей в собственной решетке полупроводника и перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс требует энергии, равной или большей ширины запрещенной зоны $E_g$. При этом одновременно рождается пара носителей: электрон и дырка.

Соотношение между этими энергиями является ключевым: $ΔE_{д,а} \ll E_g$.

При низких температурах (например, близких к комнатной) тепловой энергии $kT$ (где $k$ — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная температура) достаточно для ионизации большинства примесных атомов, так как для этого требуется малая энергия $ΔE_{д,а}$. Однако этой энергии недостаточно для массовой генерации электронно-дырочных пар, так как для этого требуется значительно большая энергия $E_g$. В результате концентрация носителей, созданных примесью, значительно превышает концентрацию собственных носителей. Поэтому проводимость определяется в основном примесями.

При высоких температурах тепловая энергия $kT$ становится сопоставимой с шириной запрещенной зоны $E_g$. Это приводит к интенсивной генерации собственных электронно-дырочных пар. Их концентрация растет экспоненциально с температурой. При некоторой температуре, называемой температурой перехода к собственной проводимости, концентрация собственных носителей становится намного больше, чем полная концентрация примесных атомов (которые к этому моменту уже давно ионизированы). Вклад примесей в общую проводимость становится пренебрежимо малым, и полупроводник ведет себя как собственный.

Ответ: При низких температурах тепловой энергии достаточно лишь для ионизации атомов примеси, что требует малой энергии, поэтому преобладает примесная проводимость. При высоких температурах тепловая энергия становится достаточной для массового разрыва ковалентных связей и генерации электронно-дырочных пар, концентрация которых превышает концентрацию примесей, что приводит к преобладанию собственной проводимости.

2. Как повлияет на работу диода повышение температуры?

Повышение температуры оказывает существенное и, как правило, негативное влияние на характеристики полупроводникового диода, так как изменяет концентрацию носителей заряда в p- и n-областях. Основные изменения затрагивают вольт-амперную характеристику (ВАХ) диода.

1. Увеличение обратного тока. Обратный ток насыщения $I_s$ в диоде создается неосновными носителями заряда (электронами в p-области и дырками в n-области), которые возникают в результате тепловой генерации электронно-дырочных пар. С ростом температуры концентрация этих пар экспоненциально увеличивается. В результате обратный ток также экспоненциально растет. Существует эмпирическое правило: для кремниевых диодов обратный ток удваивается при повышении температуры примерно на каждые 10 °C, а для германиевых — на 7-8 °C. Это ухудшает выпрямляющие свойства диода, так как в идеале в обратном направлении ток должен быть равен нулю.

2. Смещение прямой ветви ВАХ. При прямом смещении вольт-амперная характеристика диода описывается уравнением $I = I_s (e^{\frac{qU}{kT}} - 1)$, где $I_s$ - ток насыщения, $U$ - напряжение на диоде, $q$ - заряд электрона, $k$ - постоянная Больцмана, $T$ - абсолютная температура. С ростом температуры $T$ происходит два конкурирующих процесса: экспоненциально растет $I_s$ и линейно растет знаменатель $kT$ в показателе экспоненты. Преобладающим является эффект роста $I_s$. В результате вся прямая ветвь ВАХ сдвигается влево. Это означает, что:

• При фиксированном прямом напряжении $U$ прямой ток $I$ через диод увеличивается.
• Для поддержания постоянного прямого тока $I$ требуется меньшее прямое напряжение $U$. Падение прямого напряжения на кремниевом диоде уменьшается примерно на 2–2.5 мВ на каждый градус Цельсия.

3. Изменение напряжения пробоя. Влияние температуры на напряжение пробоя зависит от механизма пробоя.

• При лавинном пробое (характерен для диодов с напряжением пробоя более 6 В) напряжение пробоя увеличивается с ростом температуры. Это связано с тем, что при более высокой температуре усиливается рассеяние носителей на тепловых колебаниях решетки, и для набора энергии, достаточной для ударной ионизации, им требуется большее электрическое поле.
• При туннельном (Зенеровском) пробое (менее 6 В) напряжение пробоя, наоборот, уменьшается с ростом температуры, так как из-за теплового расширения уменьшается ширина запрещенной зоны, что облегчает туннелирование электронов.

В целом, повышение температуры приводит к ухудшению рабочих параметров диода: растет ток утечки, снижается надежность. В силовых диодах это может привести к эффекту теплового пробоя (теплового убегания), когда рост тока вызывает дополнительный разогрев, который, в свою очередь, еще больше увеличивает ток.

Ответ: С повышением температуры у диода экспоненциально возрастает обратный ток, а прямое падение напряжения при том же токе уменьшается (прямая ветвь ВАХ сдвигается влево). Это ухудшает его выпрямляющие свойства и может привести к тепловому пробою.