Номер 8, страница 117, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава III. Электрические явления. Параграф 22. Полупроводники и полупроводниковые приборы - номер 8, страница 117.

Условие.

8. Почему сопротивление полупроводников при увеличении температуры уменьшается?

Решение.

Решение

Уменьшение сопротивления полупроводников при увеличении температуры является их фундаментальным свойством и объясняется особенностями их электронной структуры, в частности, наличием запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости.

Основная причина заключается в резком увеличении концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) с ростом температуры. Рассмотрим этот процесс подробнее:

1. При низких температурах (близких к абсолютному нулю) все электроны в собственном (беспримесном) полупроводнике находятся в валентной зоне, они связаны с атомами в кристаллической решетке и не могут свободно перемещаться. Зона проводимости, расположенная энергетически выше валентной зоны, пуста. Поэтому при низких температурах полупроводники ведут себя как диэлектрики, их сопротивление очень велико.

2. С повышением температуры атомы кристаллической решетки начинают совершать более интенсивные тепловые колебания. Энергия этих колебаний передается валентным электронам. Если электрон получает энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны (энергетического промежутка между валентной зоной и зоной проводимости), он отрывается от атома и переходит в зону проводимости, становясь свободным электроном (носителем отрицательного заряда).

3. На месте, которое покинул электрон в валентной зоне, образуется так называемая "дырка" — вакантное место с эффективным положительным зарядом. Дырка также может перемещаться по кристаллу, так как на ее место может перейти электрон из соседней ковалентной связи. Таким образом, дырка ведет себя как подвижный положительный носитель заряда.

4. Процесс образования пары "свободный электрон — дырка" называется генерацией носителей заряда. Количество генерируемых пар очень сильно, экспоненциально, зависит от температуры. Концентрация собственных носителей заряда ($n_i$) описывается формулой:$n_i \sim T^{3/2} \cdot e^{-\frac{E_g}{2kT}}$, где $E_g$ — ширина запрещенной зоны, $\text{k}$ — постоянная Больцмана, а $\text{T}$ — абсолютная температура.

5. Электрическое сопротивление обратно пропорционально проводимости, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна концентрации носителей заряда. Таким образом, экспоненциальный рост числа носителей заряда с повышением температуры приводит к такому же резкому (экспоненциальному) падению сопротивления.

В отличие от полупроводников, в металлах концентрация свободных электронов очень велика и практически не зависит от температуры. Поэтому при нагревании металлов их сопротивление растет из-за того, что усиливающиеся колебания ионов решетки мешают упорядоченному движению электронов. В полупроводниках этот эффект (уменьшение подвижности носителей) тоже есть, но он гораздо слабее, чем эффект лавинообразного увеличения их числа.

Ответ:

Сопротивление полупроводников при увеличении температуры уменьшается, потому что с ростом температуры значительно увеличивается концентрация свободных носителей заряда. Тепловая энергия разрывает ковалентные связи в кристаллической решётке, создавая пары свободных носителей — электроны и дырки. Этот эффект (экспоненциальный рост числа носителей заряда) является доминирующим и приводит к резкому увеличению электропроводности и, соответственно, к снижению сопротивления.