Номер 2.59, страница 46 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 2. Электрический ток в различных средах. Электрический ток в полупроводниках - номер 2.59, страница 46.

Условие.

2.59. Почему сопротивление металлов практически не меняется при освещении, а сопротивление полупроводников меняется значительно?

Решение.

Это различие в поведении металлов и полупроводников при освещении объясняется их внутренним строением и механизмом электропроводности.

Металлы
В металлах уже имеется огромное количество свободных носителей заряда — электронов проводимости. Их концентрация очень высока (порядка $10^{22}–10^{23}$ на см³). Электрическое сопротивление металлов обусловлено в основном рассеянием этих свободных электронов на ионах кристаллической решётки. Когда свет падает на металл, фотоны поглощаются, передавая свою энергию электронам. Однако это приводит лишь к незначительному увеличению кинетической энергии электронов, но практически не изменяет их общую концентрацию. Поскольку количество свободных электронов и так колоссально, это воздействие не оказывает заметного влияния на общую проводимость и, следовательно, на сопротивление.

Полупроводники
В полупроводниках, в отличие от металлов, концентрация свободных носителей заряда (электронов и дырок) при обычных условиях очень мала. Большинство электронов связаны в ковалентных связях (находятся в валентной зоне). Для появления проводимости электрону необходимо получить энергию, достаточную для разрыва связи и перехода в зону проводимости. Эта энергия называется шириной запрещённой зоны $E_g$.
При освещении полупроводника фотоны с энергией, большей или равной ширине запрещённой зоны ($h\nu \ge E_g$), поглощаются веществом. Энергия фотона идёт на разрыв ковалентной связи, в результате чего образуется пара свободных носителей заряда: электрон и дырка. Этот процесс называется внутренним фотоэффектом.
Поскольку исходная концентрация носителей заряда в полупроводнике была низкой, появление множества новых электронно-дырочных пар под действием света приводит к значительному относительному увеличению их общей концентрации. А так как электрическое сопротивление обратно пропорционально концентрации носителей заряда, его значение существенно уменьшается.

Ответ: Сопротивление металлов практически не меняется при освещении, так как в них изначально очень высокая концентрация свободных электронов, и свет не может её сколько-нибудь заметно изменить. В полупроводниках, наоборот, собственная концентрация носителей заряда мала, и поглощение фотонов света приводит к генерации большого количества новых электронно-дырочных пар (внутренний фотоэффект), что вызывает значительное увеличение проводимости и, как следствие, резкое уменьшение сопротивления.