Номер 3, страница 235 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

3. Объясните механизм собственной проводимости полупроводников.

Электрический ток в полупроводниках представляет собой упорядоченное движение двух типов носителей заряда: свободных электронов и дырок.

1. Свободные электроны – это электроны, которые получили достаточную энергию (например, тепловую), чтобы разорвать ковалентную связь с атомом в кристаллической решетке и перейти в зону проводимости. Они имеют отрицательный заряд ($-e$) и под действием внешнего электрического поля движутся против направления вектора напряженности поля.

2. Дырки – это квазичастицы, представляющие собой вакантное место (незаполненную ковалентную связь), которое остается после ухода электрона. Эта вакансия ведет себя как частица с эффективным положительным зарядом ($+e$). Механизм движения дырки заключается в том, что на ее место перескакивает электрон из соседней ковалентной связи, в результате чего дырка перемещается в обратном направлении. Под действием внешнего электрического поля дырки движутся по направлению вектора напряженности поля.

Таким образом, полный электрический ток в полупроводнике складывается из электронного тока ($I_n$), создаваемого движением свободных электронов, и дырочного тока ($I_p$), создаваемого движением дырок. Общий ток $I$ равен их сумме: $I = I_n + I_p$.

Ответ: Природа электрического тока в полупроводниках заключается в направленном движении двух видов носителей заряда: отрицательно заряженных свободных электронов и положительно заряженных дырок.

3.

Механизм собственной проводимости полупроводников объясняется генерацией свободных носителей заряда в чистом (без примесей) полупроводнике за счет внутренней энергии кристалла.

В кристаллической решетке чистого полупроводника (например, кремния или германия) при температуре абсолютного нуля ($T = 0$ К) все валентные электроны участвуют в образовании ковалентных связей. Свободных носителей заряда нет, и полупроводник ведет себя как диэлектрик. Валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости пуста.

При повышении температуры ($T > 0$ К) атомы решетки совершают тепловые колебания. Энергии этих колебаний может быть достаточно, чтобы разорвать некоторые ковалентные связи. Когда электрон получает энергию, превышающую ширину запрещенной зоны ($E_g$), он отрывается от атома и становится свободным, переходя в зону проводимости. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочной пары. На месте ушедшего электрона образуется вакансия с нескомпенсированным положительным зарядом – дырка.

Таким образом, в чистом полупроводнике одновременно появляются два типа носителей заряда в равных концентрациях: свободные электроны ($n_i$) и дырки ($p_i$), то есть $n_i = p_i$.

Если к такому полупроводнику приложить внешнее электрическое поле, эти носители придут в упорядоченное движение: свободные электроны (как отрицательные заряды) начнут двигаться против направления поля, а дырки (как положительные заряды) – по направлению поля. Это направленное движение и создает электрический ток, называемый током собственной проводимости.

Одновременно с процессом генерации пар идет и обратный процесс – рекомбинация, когда свободный электрон "заполняет" дырку, в результате чего пара носителей заряда исчезает. При постоянной температуре устанавливается динамическое равновесие, при котором скорость генерации равна скорости рекомбинации, и концентрация носителей заряда остается постоянной.

С ростом температуры количество разрываемых связей экспоненциально растет, что ведет к увеличению концентрации носителей заряда и, следовательно, к значительному увеличению собственной проводимости полупроводника (уменьшению его сопротивления).

Ответ: Механизм собственной проводимости полупроводников заключается в тепловой генерации электронно-дырочных пар (свободных электронов и дырок) в равных количествах и их последующем упорядоченном движении под действием внешнего электрического поля.