Номер 4, страница 17 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 5. Зависимость удельного сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Глава 1. Постоянный электрический ток - номер 4, страница 17.

4. Опишите процесс собственной проводимости в полупроводниках.

Собственная проводимость — это электропроводность химически чистого полупроводника, не содержащего примесей. Она обусловлена появлением свободных носителей заряда (электронов и дырок) в результате тепловой генерации.

При температуре абсолютного нуля ($T = 0$ К) в идеальном кристалле полупроводника все электроны находятся в валентной зоне, участвуя в образовании ковалентных связей между атомами. Валентная зона полностью заполнена, а следующая за ней по энергии зона проводимости — пуста. Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона — область энергий, которые электроны в кристалле иметь не могут. В таком состоянии полупроводник не проводит электрический ток и является диэлектриком.

С повышением температуры ($T > 0$ К) атомы кристаллической решетки начинают совершать тепловые колебания. Некоторые валентные электроны могут получить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочной пары. В результате в зоне проводимости появляется свободный электрон (или электрон проводимости), а в валентной зоне на его месте образуется вакансия — дырка. Разрыв ковалентной связи приводит к одновременному рождению двух носителей заряда.

Таким образом, в собственном полупроводнике появляются два типа подвижных носителей заряда:

• Электроны проводимости: это свободные электроны в зоне проводимости, имеющие отрицательный заряд.
• Дырки: это вакантные места в валентной зоне. Дырка ведет себя как квазичастица с положительным зарядом. Её движение представляет собой последовательные перескоки электронов из соседних ковалентных связей на вакантное место, что эквивалентно перемещению положительного заряда в противоположном направлении.

Поскольку электроны и дырки рождаются парами, их концентрации в собственном полупроводнике равны. Обозначая концентрацию электронов как $n_i$, а концентрацию дырок как $p_i$, имеем: $n_i = p_i$.

При приложении к полупроводнику внешнего электрического поля оба типа носителей приходят в упорядоченное движение, создавая электрический ток. Свободные электроны движутся против направления поля, создавая электронную составляющую тока. Дырки движутся по направлению поля, создавая дырочную составляющую тока. Общий ток в полупроводнике равен сумме электронного и дырочного токов.

Параллельно с процессом генерации в полупроводнике происходит и обратный процесс — рекомбинация. Это процесс, при котором свободный электрон "встречается" с дыркой и заполняет её, восстанавливая ковалентную связь. При этом пара носителей заряда исчезает, а избыток энергии выделяется в виде тепла или света. При неизменной температуре в кристалле устанавливается динамическое равновесие: скорость генерации электронно-дырочных пар становится равной скорости их рекомбинации. В результате концентрация носителей заряда поддерживается на определённом уровне, зависящем от температуры.

Собственная проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Концентрация носителей заряда, а следовательно, и проводимость, растет с температурой по экспоненциальному закону. Это является ключевым отличием полупроводников от металлов, у которых проводимость с ростом температуры падает из-за усиления рассеяния электронов на колебаниях решетки.

Ответ:

Собственная проводимость полупроводников — это их электропроводность в химически чистом состоянии, вызванная тепловой генерацией пар носителей заряда: свободных электронов и дырок. При температуре выше абсолютного нуля тепловая энергия разрывает некоторые ковалентные связи, в результате чего электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, а на их месте в валентной зоне остаются положительно заряженные "вакансии" — дырки. Под действием внешнего электрического поля эти два типа носителей движутся упорядоченно (электроны — против поля, дырки — по полю), создавая электрический ток. Величина собственной проводимости сильно зависит от температуры и экспоненциально возрастает при её увеличении.