Номер 5, страница 184 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 10. Электрический ток в газах, вакууме и полупроводниках. Параграф 50. Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы - номер 5, страница 184.

Условие.

5. Как влияют на проводимость полупроводников вносимые в них примеси?

Решение.

Внесение примесей в полупроводники, процесс, называемый легированием, является основным способом управления их электрической проводимостью. Примеси кардинально изменяют концентрацию носителей заряда (электронов и дырок) и, как следствие, значительно увеличивают проводимость полупроводника.

Собственная и примесная проводимость

Чистые полупроводники (например, кремний $Si$ или германий $Ge$) обладают собственной проводимостью. При комнатной температуре лишь небольшое количество электронов имеет достаточную энергию, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости, создавая пары носителей заряда: электрон ($e^{-}$) и дырка ($h^{+}$). Концентрация таких носителей мала, поэтому собственные полупроводники имеют низкую проводимость.

Донорные примеси (создание полупроводников n-типа)

Если в кристалл четырехвалентного полупроводника (например, кремния) ввести примесь пятивалентного элемента (например, фосфора $\text{P}$ или мышьяка $As$), то атом примеси замещает атом кремния в кристаллической решетке. Четыре валентных электрона атома примеси образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с ядром и легко отрывается, становясь свободным электроном ($e^{-}$). Атом примеси, отдавший электрон, становится положительно заряженным ионом, неподвижно закрепленным в узле решетки ($As \rightarrow As^{+} + e^{-}$).

Такие примеси, которые "поставляют" свободные электроны, называются донорными. Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n-типа (от слова negative — отрицательный), так как основными (мажоритарными) носителями заряда в нем являются электроны. Проводимость такого полупроводника значительно возрастает по сравнению с собственным полупроводником из-за высокой концентрации свободных электронов.

Акцепторные примеси (создание полупроводников p-типа)

Если в кристалл кремния ввести примесь трехвалентного элемента (например, бора $\text{B}$ или галлия $Ga$), то для образования четырех ковалентных связей с соседними атомами кремния атому примеси не хватает одного электрона. Возникает вакантное место для электрона, называемое дыркой ($h^{+}$). Эта дырка может быть легко заполнена электроном от соседнего атома кремния, что эквивалентно захвату электрона атомом примеси ($B + e^{-} \rightarrow B^{-}$) и приводит к перемещению дырки по кристаллу. Дырка ведет себя как положительно заряженная частица.

Такие примеси, которые "захватывают" электроны из валентной зоны, создавая дырки, называются акцепторными. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником p-типа (от слова positive — положительный), так как основными (мажоритарными) носителями заряда в нем являются дырки. Проводимость p-типа также значительно выше собственной проводимости полупроводника.

Таким образом, введение даже незначительного количества примесей (например, один атом примеси на $10^6$ атомов основного вещества) позволяет увеличить проводимость полупроводников в тысячи и миллионы раз и создать материалы с преимущественно электронной (n-тип) или дырочной (p-тип) проводимостью.

Ответ: Вносимые примеси (легирование) кардинально увеличивают проводимость полупроводников. В зависимости от типа примеси создается либо избыток свободных электронов (донорные примеси, n-тип проводимости), либо избыток дырок (акцепторные примеси, p-тип проводимости). Увеличение концентрации свободных носителей заряда и приводит к многократному росту электропроводности по сравнению с чистым (собственным) полупроводником.