Номер 18.10, страница 94 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 18. Полупроводники и полупроводниковые приборы - номер 18.10, страница 94.

Условие.

18.10. Как зависит сопротивление полупроводника от температуры и освещенности?

Решение.

Зависимость сопротивления от температуры

Сопротивление полупроводников, в отличие от металлов, с ростом температуры не увеличивается, а экспоненциально уменьшается. Это объясняется особенностями их строения и механизмом электропроводности.

В полупроводниках при низких температурах (близких к абсолютному нулю) почти все электроны находятся в валентной зоне и участвуют в образовании ковалентных связей. Свободных носителей заряда (электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне) практически нет, поэтому полупроводник обладает очень высоким сопротивлением, подобно диэлектрику.

С повышением температуры тепловая энергия атомов кристаллической решетки возрастает. Этой энергии становится достаточно для разрыва некоторых ковалентных связей. В результате электроны получают энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости, становясь свободными носителями заряда. На месте ушедшего электрона в валентной зоне образуется положительно заряженная область — «дырка», которая также может перемещаться и вносить вклад в электрический ток. Этот процесс называется тепловой генерацией электронно-дырочных пар.

Таким образом, с ростом температуры концентрация свободных носителей заряда $\text{n}$ в полупроводнике резко (экспоненциально) возрастает. Хотя увеличение температуры также усиливает колебания атомов в узлах решетки, что приводит к более частому рассеянию носителей и уменьшению их подвижности (этот фактор стремится увеличить сопротивление), эффект от лавинообразного роста числа носителей заряда является доминирующим. Зависимость сопротивления $\text{R}$ от абсолютной температуры $\text{T}$ для собственного полупроводника приближенно описывается формулой: $R(T) \approx R_0 e^{\frac{E_g}{2kT}}$, где $E_g$ — ширина запрещенной зоны, $\text{k}$ — постоянная Больцмана, а $R_0$ — предэкспоненциальный множитель.

Ответ: С увеличением температуры сопротивление полупроводника экспоненциально уменьшается, так как происходит интенсивная генерация новых свободных носителей заряда (электронов и дырок).

Зависимость сопротивления от освещенности

Сопротивление полупроводника также уменьшается при его освещении. Это явление носит название внутреннего фотоэффекта или фотопроводимости.

Механизм этого явления заключается в поглощении полупроводником фотонов света. Если энергия фотона $h\nu$ больше или равна ширине запрещенной зоны полупроводника $E_g$ (то есть выполняется условие $h\nu \ge E_g$), то фотон может передать свою энергию электрону в валентной зоне. Получив эту энергию, электрон переходит в зону проводимости, а в валентной зоне образуется дырка. Таким образом, каждый поглощенный фотон с достаточной энергией создает одну дополнительную (неравновесную) электронно-дырочную пару.

В результате освещения общая концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике увеличивается. Чем больше интенсивность света, тем больше фотонов падает на поверхность полупроводника в единицу времени, и тем большее количество дополнительных носителей заряда генерируется. Увеличение концентрации носителей заряда приводит к увеличению электропроводности и, соответственно, к уменьшению электрического сопротивления материала. На этом свойстве основана работа таких приборов, как фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и элементы солнечных батарей.

Ответ: С увеличением освещенности сопротивление полупроводника уменьшается, поскольку энергия световых фотонов создает в нем дополнительные свободные носители заряда (электроны и дырки).