Номер 18.13, страница 94 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 18. Полупроводники и полупроводниковые приборы - номер 18.13, страница 94.

Условие.

18.13. Благодаря чему появляются свободные электроны в чистых полупроводниках?

Решение.

18.13. Благодаря чему появляются свободные электроны в чистых полупроводниках?

В кристалле чистого (собственного) полупроводника при температуре абсолютного нуля ($T = 0$ K) все электроны прочно связаны с атомами в кристаллической решетке и участвуют в образовании ковалентных связей. В зонной теории это означает, что валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Между этими зонами находится запрещенная зона — область энергий, которые электроны не могут иметь. Из-за отсутствия свободных носителей заряда при $T = 0$ K чистый полупроводник является диэлектриком.

Свободные электроны (то есть электроны, перешедшие в зону проводимости) появляются, когда валентные электроны получают извне энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны. Этот процесс называется генерацией носителей заряда. Существует два основных механизма генерации:

1. Тепловая генерация. При температуре выше абсолютного нуля ($T > 0$ K) атомы в кристаллической решетке совершают тепловые колебания. Энергия этих колебаний может быть передана валентному электрону. Если полученная энергия оказывается больше или равна ширине запрещенной зоны ($E_g$), электрон разрывает ковалентную связь и становится свободным, переходя в зону проводимости. На месте ушедшего электрона в валентной зоне образуется вакансия с эффективным положительным зарядом — «дырка». Таким образом, тепловая энергия приводит к образованию пар носителей заряда: «свободный электрон — дырка». Это основной механизм появления свободных носителей в полупроводниках при отсутствии внешнего облучения.

2. Фотогенерация. Свободные электроны могут также появляться при поглощении полупроводником света (или другого электромагнитного излучения). Если энергия кванта света — фотона ($E_{ph} = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота света) — достаточна для преодоления запрещенной зоны ($E_{ph} \ge E_g$), то электрон, поглотив фотон, переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс также приводит к образованию электронно-дырочной пары. Данное явление лежит в основе работы фоторезисторов, фотодиодов и солнечных элементов.

Ответ: Свободные электроны в чистых полупроводниках появляются благодаря получению валентными электронами достаточной энергии от внешних источников (например, тепловой энергии при нагревании или световой энергии при освещении), что позволяет им разорвать ковалентные связи и перейти из заполненной валентной зоны в пустую зону проводимости.