ГДЗ · Фізика · 9 клас
Фізика, Бар’яхтар В. Г., Божинова Ф. Я., Довгий С. О., Кірюхін М. М., Кірюхіна О. О., за ред. Довгого С. О., 2026 · № 1.1–7.3 · 12 завдань
Повні розв’язки, як у зошиті. Хочеш розібратися самостійно — під кожним завданням є «Пояснення з репетитором».
§ 8. Домішкова провідність напівпровідників. Електронно-дірковий перехід
Виберіть речовини, які мають електронно-діркову провідність (а) алюміній; б) германій; в) залізо; г) мідь; д) кремній.
Розв’язання
Алюміній (Al), залізо (Fe) та мідь (Cu) — це метали, тому вони не мають електронно-діркової провідності.
Кремній (Si) та германій (Ge) — це класичні напівпровідники чотиривалентні елементи, у яких струм переносять і вільні електрони, і дірки.
б) германій; д) кремній.
Установіть відповідність між середовищем (1–3) і графіком залежності питомого опору середовища від температури (А–Г): 1 — Метали; 2 — Розчини електролітів; 3 — Напівпровідники.
Розв’язання
Для напівпровідників (3) шукаємо графік, де опір зменшується зі зростанням температури — це графіки А або В (залежно від орієнтації осей, зазвичай це падаюча лінія).
Для металів (1) та розчинів електролітів (2) шукаємо графіки, де опір зростає — це графіки Б або Г (залежно від орієнтації осей, зазвичай це зростаюча лінія).
Примітка: Без візуального розпізнавання конкретних кривих А-Г на зображенні точне визначення неможливе. За загальним фізичним законом для напівпровідників графік має вигляд падаючої кривої.
3 — графік із падаючою лінією (наприклад, А або В); 1 та 2 — графіки зі зростаючою лінією (наприклад, Б або Г).
Чому внаслідок зменшення освітленості опір фоторезистора збільшується, адже до цього він був освітлений і в ньому з'явилося багато вільних електронів і дірок?
Розв’язання
Коли фоторезистор освітлений, енергія світла розриває зв'язки електронів у кристалі, створюючи велику кількість вільних електронів і дірок.
Вільні носії заряду переносять струм, тому опір матеріалу стає малим.
При зменшенні освітленості (або увімкненні затемнення) світлових квантів стає менше, електрони повертаються на місця у зв'язках, концентрація вільних носіїв різко падає.
Через відсутність достатньої кількості вільних носіїв струму опір фоторезистора збільшується.
Опір збільшується, тому що при зменшенні освітленості кількість вільних електронів і дірок падає, оскільки світло більше не забезпечує їх розривання зв'язків.
У чистих напівпровідниках кількість вільних електронів і дірок однакова. Якщо додати домішку, концентрація носіїв змінюється.
Розв’язання
У чистому напівпровіднику (наприклад, кремнії) кількість електронів дорівнює кількості дірок ().
При введенні домішок ця рівновага порушується: з'являється надлишок або електронів, або дірок.
Це призводить до того, що провідність напівпровідника зростає в порівнянні з чистим матеріалом.
Домішки змінюють кількість вільних електронів або дірок у кристалі, що суттєво підвищує його провідність.
Потрібно вибрати речовини, які мають електронно-діркову провідність серед: а) алюміній; б) германій; в) залізо; г) мідь; д) кремній.
Розв’язання
Алюміній, залізо та мідь — це метали, тому вони не підходять для умови про електронно-діркову провідність.
Германій та кремній — це класичні напівпровідники, у яких струм переноситься як електронами, так і дірками.
б) германій; д) кремній.
Чому опір фоторезистора збільшується при зменшенні освітленості, якщо раніше він був освітлений?
Розв’язання
Коли фоторезистор освітлений, енергія світла розриває зв'язки в кристалі, створюючи пари «електрон-дірка».
Кількість таких пар збільшується, що значно підвищує провідність і знижує опір ().
При згасанні світла (зменшенні освітленості) вільні носії заряду швидко зникають, і матеріал повертається до стану високого опору.
Опір збільшується, оскільки при відсутності світла кількість вільних електронів та дірок різко зменшується, що призводить до падіння провідності.
Виберіть речовини, які мають електронно-діркову провідність (власну): а) алюміній; б) германій; в) залізо; г) мідь; д) кремній.
Розв’язання
Алюміній, залізо та мідь — це метали, тому вони не мають власної провідності в розумінні фізики напівпровідників.
Германій і кремній — класичні приклади напівпровідників IV групи періодичної системи, у яких кількість електронів і дірок однакова.
б) германій; д) кремній
Поясніть, чому арсен є донорною домішкою для кремнію та опишіть його взаємодію з кристалом.
Розв’язання
Атом кремнію має 4 валентні електрони, які утворюють ковалентні зв'язки з сусідами.
Атом арсену має 5 валентних електронів; чотири з них беруть участь у зв'язках, а п'ятий залишається вільним.
Цей вільний електрон легко рухається під дією напруги, підвищуючи провідність кристала.
Арсен є донорною домішкою, оскільки він має на один валентний електрон більше, ніж кремній; п'ятий електрон атома арсену стає вільним носієм заряду.
Поясніть, чому напівпровідники з донорними домішками називають n-типу та опишіть співвідношення концентрацій носіїв.
Розв’язання
Донорні атоми (наприклад, арсен) віддають електрони, не створюючи додаткових дірок.
В результаті концентрація вільних електронів стає значно вищою за концентрацію дірок.
Такі напівпровідники називають n-типу через переважаючу електронну провідність.
Носіями заряду є переважно вільні електрони, тому концентрація електронів значно більша за концентрацію дірок , і матеріал називають напівпровідником n-типу.
Оберіть речовини з електронно-дірковою провідністю серед: а) алюміній, б) германій, в) залізо, г) мідь, д) кремній.
Розв’язання
Визначимо металеві речовини: алюміній, залізо, мідь проводять струм за рахунок вільних електронів у зоні провідності.
Визначимо напівпровідники: германій та кремній мають кристалічну решітку з ковалентними зв'язками, де носіями заряду є електрони та дірки.
б) германій; д) кремній.
Поясніть, чому внаслідок зменшення освітленості опір фоторезистора збільшується, якщо він був освітлений і мав багато вільних носіїв заряду.
Розв’язання
Освітлення надає атомам енергію, що призводить до розриву ковалентних зв'язків і появи великої кількості вільних електронів та дірок.
Збільшення кількості вільних носіїв заряду значно зменшує питомий опір напівпровідника.
При зменшенні освітленості енергія фотонів припиняє надходити, і вільні носії (електрони та дірки) рекомбінують або «залипляються» на домішках, що зменшує їх кількість.
Зменшення кількості вільних носіїв заряду призводить до збільшення питомого опору фоторезистора.
При освітленні у кристалі з'являється багато вільних електронів і дірок, що знижує опір. Коли освітлення припиняється, кількість цих носіїв швидко зменшується через рекомбінацію, тому опір фоторезистора збільшується.
Дізнайся, як застосовують фоторезистори в космічній галузі (за матеріалом підручника та загальними знаннями).
Розв’язання
Фоторезистори використовують у системах автоматичного керування сонцем (наприклад, щоб панелі сонячних батарей завжди були повернуті до Сонця).
Вони допомагають роботам-дослідникам на поверхні інших планет (наприклад, «Оппортьюніті» або «Спіріт») орієнтуватися за зміною освітленості та уникати роботи вночі або під час пилевих бур.
Також їх використовують для захисту електроніки від надмірного нагрівання під дією сонячних променів, автоматично змінюючи режим роботи приладів.
Фоторезистори застосовують у космосі для автоматичного орієнтування супутників та космічних кораблів щодо Сонця (щоб сонячні батареї працювали ефективно) та для роботи роботів-дослідників на поверхні планет, які мають денно-нічний цикл.