Номер 13, 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 13, страница 118.

Условие.

13. Расскажите о том, как появляются свободные носители заряда в чистых полупроводниках.

Решение.

Решение

В чистых (собственных) полупроводниках, таких как кремний (Si) или германий (Ge), атомы в кристаллической решетке связаны между собой ковалентными связями. Каждый атом образует связи с четырьмя соседними атомами, используя свои четыре валентных электрона.

При температуре абсолютного нуля ($T=0$ K) все валентные электроны прочно удерживаются в ковалентных связях. Свободных носителей заряда нет, и полупроводник ведет себя как диэлектрик. С точки зрения зонной теории, это означает, что валентная зона, где находятся эти электроны, полностью заполнена, а зона проводимости, расположенная выше, — пуста. Между этими зонами существует запрещенная зона, ширина которой $E_g$ определяет энергию, необходимую для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

При повышении температуры ($T>0$ K) атомы кристаллической решетки начинают совершать тепловые колебания. Энергия этих колебаний может оказаться достаточной, чтобы разорвать некоторые ковалентные связи. Когда связь разрывается, один из валентных электронов получает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны, и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот электрон становится свободным и может перемещаться по кристаллу под действием электрического поля, создавая электрический ток. Его называют электроном проводимости.

На месте разорванной связи, откуда ушел электрон, остается незаполненное место с недостающим отрицательным зарядом, что эквивалентно появлению избыточного положительного заряда. Это вакантное место называется дыркой. Дырка также является свободным носителем заряда. Электрон из соседней ковалентной связи может "перепрыгнуть" и занять место дырки. В результате дырка переместится на место этого электрона. Такое перемещение дырки эквивалентно движению положительного заряда в направлении, противоположном движению электронов.

Таким образом, в чистом полупроводнике в результате тепловой генерации одновременно рождается пара свободных носителей заряда: электрон и дырка. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочных пар. Количество свободных электронов в зоне проводимости всегда равно количеству дырок в валентной зоне. Этот механизм образования носителей заряда называется собственной проводимостью полупроводника. Концентрация таких носителей сильно зависит от температуры: чем выше температура, тем больше связей разрывается и тем выше концентрация электронно-дырочных пар.

Ответ: Свободные носители заряда в чистых полупроводниках появляются в результате разрыва ковалентных связей между атомами из-за тепловой энергии (при температурах выше абсолютного нуля) или поглощения энергии света. При разрыве связи валентный электрон получает достаточную энергию, чтобы перейти в зону проводимости и стать свободным электроном (отрицательный носитель заряда). На его месте в ковалентной связи образуется вакансия — дырка, которая ведет себя как свободный положительный носитель заряда. Таким образом, носители заряда в чистых полупроводниках рождаются парами (электрон-дырка), и их концентрация зависит от температуры и ширины запрещенной зоны материала.