Номер 10, страница 118, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава III. Электрические явления. Параграф 22. Полупроводники и полупроводниковые приборы - номер 10, страница 118.

Условие.

10. Расскажите о полупроводниках $\text{p}$-типа.

Решение.

Определение и принцип создания

Полупроводники p-типа (от английского positive — положительный) — это полупроводники с примесной проводимостью, в которых основными (преобладающими) носителями заряда являются положительно заряженные квазичастицы, называемые дырками. Электропроводность таких материалов называется дырочной проводимостью.

Для создания полупроводника p-типа в кристалл чистого (собственного) полупроводника, например, четырехвалентного кремния (Si) или германия (Ge), вводят небольшое количество примеси — атомов трехвалентного химического элемента. Этот процесс называется легированием, а сама примесь — акцепторной (от лат. acceptor — принимающий), поскольку её атомы способны «принимать» электроны. В качестве акцепторных примесей обычно используют элементы III группы Периодической системы, такие как бор (B), алюминий (Al), галлий (Ga) или индий (In).

Механизм дырочной проводимости

Когда атом акцепторной примеси, например, бора (B), замещает атом кремния (Si) в узле кристаллической решетки, он образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Однако у атома бора на внешней оболочке всего три валентных электрона, в то время как для образования четырех полноценных связей необходимо четыре. В результате одна из связей оказывается незавершенной, в ней не хватает электрона. Это вакантное место для электрона и называется дыркой.

Дырка обладает эффективным положительным зарядом. Под действием тепловой энергии или внешнего электрического поля, электрон из соседней ковалентной связи может перескочить на место дырки, завершая связь. При этом на том месте, откуда ушел электрон, образуется новая дырка. Таким образом, происходит эстафетное перемещение дырок по кристаллу, что равносильно направленному движению положительных зарядов и создает электрический ток.

Энергетическая зонная структура

Введение акцепторной примеси приводит к появлению в запрещенной зоне полупроводника дополнительного дискретного энергетического уровня, который называется акцепторным уровнем. Этот уровень расположен очень близко к «потолку» валентной зоны. Энергия, необходимая для перехода электрона с валентной зоны на акцепторный уровень, очень мала (порядка сотых долей электрон-вольта). Поэтому уже при комнатной температуре многие электроны из валентной зоны захватываются атомами примеси, оставляя после себя в валентной зоне большое количество подвижных дырок. Атомы примеси, захватившие электрон, превращаются в неподвижные отрицательно заряженные ионы.

Носители заряда и электронейтральность

В полупроводнике p-типа концентрация дырок ($p_p$) значительно превышает концентрацию свободных электронов ($n_p$). Поэтому дырки являются основными носителями заряда, а электроны, возникающие в результате разрыва ковалентных связей под действием тепла, — неосновными носителями заряда. Концентрация основных носителей ($p_p$) практически равна концентрации введенной акцепторной примеси ($N_a$). Согласно закону действующих масс, произведение концентраций электронов и дырок является постоянной величиной для данной температуры: $n_p \cdot p_p = n_i^2$, где $n_i$ — концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике. Из-за высокой концентрации дырок $p_p$ концентрация электронов $n_p$ резко уменьшается. Несмотря на наличие подвижных положительных зарядов (дырок), полупроводник p-типа в целом остается электрически нейтральным, так как суммарный положительный заряд дырок компенсируется суммарным отрицательным зарядом ионизированных атомов акцепторной примеси, которые жестко закреплены в узлах кристаллической решетки.

Ответ: Полупроводники p-типа — это материалы, полученные путем легирования собственного полупроводника (например, кремния) акцепторной примесью (элементами III группы, например, бором). В таких полупроводниках в структуре ковалентных связей образуются «вакансии» для электронов, называемые дырками. Дырки ведут себя как подвижные положительные заряды и являются основными носителями заряда, обеспечивая так называемую дырочную проводимость. Электроны в p-полупроводниках являются неосновными носителями заряда. На энергетической диаграмме акцепторная примесь создает локальный уровень вблизи валентной зоны, что облегчает образование дырок. Несмотря на наличие подвижных положительных зарядов, материал в целом остается электрически нейтральным.