Номер 18.3, страница 94 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 18. Полупроводники и полупроводниковые приборы - номер 18.3, страница 94.

Условие.

18.3. По каким электрическим свойствам можно отличить металл от полупроводника и полупроводник от диэлектрика?

Решение.

Решение

Металлы, полупроводники и диэлектрики можно различить по ряду ключевых электрических свойств. Основными из них являются величина удельного электрического сопротивления и характер его зависимости от температуры.

Отличие металла от полупроводника

1. Зависимость удельного сопротивления от температуры. Это фундаментальное различие. При повышении температуры удельное сопротивление металлов линейно возрастает. Это объясняется тем, что с ростом температуры усиливаются колебания ионов в узлах кристаллической решетки, что приводит к более частому рассеянию свободных электронов. Температурный коэффициент сопротивления $ \alpha $ для металлов положителен.
В отличие от них, удельное сопротивление полупроводников при повышении температуры экспоненциально уменьшается. При нагревании все больше электронов получают энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей (перехода из валентной зоны в зону проводимости). Это приводит к резкому росту концентрации носителей заряда (электронов и дырок). Увеличение числа носителей заряда является доминирующим фактором, который и вызывает уменьшение сопротивления.

2. Величина удельного сопротивления. При комнатной температуре удельное сопротивление металлов очень мало (порядка $10^{-8} - 10^{-6}$ Ом·м), что обусловлено высокой концентрацией свободных электронов. У полупроводников удельное сопротивление занимает промежуточное положение между металлами и диэлектриками (от $10^{-5}$ до $10^8$ Ом·м).

3. Влияние примесей. Введение примесей в металл, как правило, увеличивает его сопротивление, так как примесные атомы нарушают периодичность кристаллической решетки и служат дополнительными центрами рассеяния для электронов. В полупроводниках же целенаправленное введение определенных примесей (легирование) позволяет управлять их проводимостью и может уменьшить сопротивление на много порядков за счет создания дополнительных носителей заряда.

4. Фотопроводимость. Проводимость металлов практически не зависит от освещения. В то же время, при освещении полупроводника светом с достаточной энергией фотонов в нем генерируются дополнительные пары носителей заряда (электрон-дырка), что приводит к заметному увеличению его проводимости. Это явление называется фотопроводимостью.

Ответ: Металл можно отличить от полупроводника в первую очередь по характеру зависимости сопротивления от температуры: у металлов оно растет при нагревании, а у полупроводников — падает. Также они различаются по абсолютной величине удельного сопротивления, влиянию примесей на проводимость и наличию фотопроводимости у полупроводников.

Отличие полупроводника от диэлектрика

Различие между полупроводниками и диэлектриками носит в большей степени количественный, а не качественный характер, так как основные физические процессы в них схожи. Главные отличия заключаются в следующем:

1. Величина удельного сопротивления. Это основное практическое различие. Диэлектрики (изоляторы) имеют чрезвычайно высокое удельное сопротивление (обычно в диапазоне $10^{10} - 10^{20}$ Ом·м), что на много порядков превышает сопротивление полупроводников.

2. Ширина запрещенной зоны ($E_g$). С точки зрения зонной теории строения твердых тел, это различие объясняется шириной запрещенной зоны — энергетического промежутка между валентной зоной и зоной проводимости. У полупроводников ширина запрещенной зоны относительно невелика (например, у кремния $E_g \approx 1.12$ эВ, у германия $E_g \approx 0.67$ эВ). Тепловой энергии при комнатной температуре достаточно для переброса некоторого количества электронов в зону проводимости.
У диэлектриков ширина запрещенной зоны значительно больше (как правило, $E_g > 3$ эВ). Поэтому при нормальных условиях вероятность теплового возбуждения электронов и их перехода в зону проводимости ничтожно мала, чем и объясняется их низкая проводимость.

Ответ: Полупроводник от диэлектрика можно отличить по величине удельного сопротивления (у диэлектриков оно на много порядков выше) и по ширине запрещенной зоны (у диэлектриков она значительно больше, что делает их практически непроводящими при нормальных условиях).