Номер 2.61, 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 2.61, страница 46.

Условие.

2.61. В полупроводнике n-типа концентрация электронов проводимости (отрицательных носителей заряда) значительно превосходит концентрацию дырок (положительных носителей заряда). Означает ли это, что полупроводник n-типа заряжен отрицательно?

Решение.

Нет, полупроводник n-типа не заряжен отрицательно, он является электрически нейтральным.
Это объясняется тем, что полупроводник n-типа создается путем легирования (введения примесей) чистого полупроводника, который изначально электрически нейтрален. В качестве примеси используются атомы доноров (например, фосфора для кремния), которые также являются нейтральными. Таким образом, весь кристалл полупроводника в целом остается электрически нейтральным.
Высокая концентрация электронов проводимости возникает за счет того, что каждый атом донорной примеси отдает один свой валентный электрон, который становится свободным носителем заряда. Однако, отдав электрон, атом донора превращается в положительно заряженный ион, который жестко зафиксирован в кристаллической решетке и не является подвижным носителем заряда.
Следовательно, в объеме полупроводника имеется большое количество подвижных отрицательных зарядов (электронов), но их заряд в точности скомпенсирован равным по величине положительным зарядом неподвижных ионов донорной примеси. Общая плотность заряда $\rho$ в полупроводнике равна нулю: $\rho = e(p + N_D^+ - n) = 0$, где $\text{e}$ — элементарный заряд, $\text{p}$ — концентрация дырок, $N_D^+$ — концентрация ионизированных доноров, а $\text{n}$ — концентрация электронов. Из этого условия электронейтральности следует соотношение между концентрациями: $p + N_D^+ = n$. Тот факт, что концентрация электронов значительно превосходит концентрацию дырок ($n \gg p$), как раз и объясняется этим равенством, поскольку в легированном полупроводнике концентрация доноров $N_D^+$ обычно на много порядков превышает собственную концентрацию носителей.
Таким образом, название n-тип (от английского negative — отрицательный) означает, что основными подвижными носителями заряда, которые создают электрический ток, являются электроны, но не то, что сам материал имеет избыточный отрицательный заряд.

Ответ: Нет. Полупроводник n-типа электрически нейтрален, так как отрицательный заряд свободных электронов проводимости полностью скомпенсирован положительным зарядом неподвижных ионов донорной примеси, находящихся в узлах кристаллической решетки.