Задания 1–7 — Глава 16. § 116. Электрический ток в полупроводниках…

Ковалентной (парноэлектронной) называют связь между соседними атомами, возникающую при обобществлении пары валентных электронов. От каждого из двух атомов в образовании связи участвует по одному валентному электрону, и эта пара электронов большую часть времени проводит в пространстве между атомами, удерживая положительные ионы друг возле друга.
Пример: в кристалле кремния каждый атом (четыре валентных электрона) образует четыре такие связи с четырьмя ближайшими соседями.
Ответ: связь атомов общей парой валентных электронов.

У металлов сопротивление с ростом температуры увеличивается примерно линейно: R = R₀(1 + αΔT). Число свободных электронов остаётся постоянным, а ионы решётки колеблются сильнее, чаще сталкиваются с электронами и мешают их упорядоченному движению.
У полупроводников сопротивление при нагревании резко уменьшается. При повышении температуры разрываются ковалентные связи, число свободных электронов и дырок быстро растёт, и это перевешивает рост рассеяния. При температурах, близких к абсолютному нулю, чистый полупроводник ведёт себя как диэлектрик.
Ответ: у металлов сопротивление с температурой растёт, у полупроводников резко падает.

В чистом (собственном) полупроводнике есть носители двух типов: свободные электроны (электронная проводимость) и дырки — вакантные места с недостающим электроном, ведущие себя как положительные заряды (дырочная проводимость). Они возникают парами при разрыве связей, поэтому концентрации электронов и дырок одинаковы.
Ответ: свободные электроны и дырки.

Свободный электрон занимает вакантное место в разорванной связи. Парноэлектронная связь восстанавливается, а электрон и дырка исчезают как носители заряда. Этот процесс называют рекомбинацией. При этом одновременно идёт и обратный процесс — возникновение новых пар электрон–дырка из-за теплового движения, поэтому в равновесии концентрации носителей постоянны.
Ответ: происходит рекомбинация: связь восстанавливается, оба носителя исчезают.

В чистом полупроводнике свободных носителей мало: в германии при комнатной температуре около 3·10¹³ см⁻³ электронов при 10²³ атомов в 1 см³. Даже малая примесь меняет число носителей на порядки: добавление одной десятимиллионной доли атомов мышьяка в кремний повышает концентрацию свободных электронов до 10¹⁶ см⁻³, то есть в тысячу раз.
Чем больше носителей заряда, тем меньше удельное сопротивление, поэтому небольшое количество примеси резко его уменьшает.
Ответ: примесь на много порядков изменяет концентрацию свободных носителей заряда.

Акцепторная примесь (например, трёхвалентный индий в кремнии) отбирает электроны у соседних атомов, создавая дырки; число дырок равно числу атомов примеси. Полупроводник становится p-типа. В нём преобладает дырочная проводимость.
Ответ: основные носители — дырки (неосновные — электроны).

Нужна донорная примесь — атомы с большей валентностью, чем у основного вещества. В кремний или германий (четырёхвалентные) вводят пятивалентные атомы, например мышьяк, фосфор, сурьму. Четыре валентных электрона такого атома образуют связи с соседями, а пятый оказывается слабо связанным, легко покидает атом и становится свободным.
Ответ: донорную примесь (пятивалентную, например мышьяк).