Разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором

Чем отличается проводник от полупроводника?

Известно, что в веществе, помещенном в электрическое поле, при воздействии сил данного поля образуется движение свободных электронов, либо ионов по направлению сил поля. Другими словами, в веществе происходит возникновение электрического тока.
Свойство, определяющее способность вещества проводить электрический ток имеет название «электропроводность». Электропроводность напрямую зависима от концентрации заряженных частиц: чем выше концентрация, тем она электропроводность.

По данному свойству все вещества подразделяются на 3 типа:

1. Проводники.
2. Диэлектрики.
3. Полупроводники.

Электростатическая индукция

Любое тело, помещенное в электрическом поле, электризуется. Однако процесс электризации для различных веществ будет разным.

Электрические характеристики электронейтрального тела зависят от подвижности заряженных частиц в нем, которая определяется строением атомов вещества и их взаимным расположением.

По концентрации свободных заряженных частиц в веществе все вещества делятся на три основных класса: проводники, диэлектрики и полупроводники. К проводникам относятся вещества, содержащие заряженные частицы, способные двигаться упорядоченно по всему объему тела под действием электрического поля, — так называемые свободные заряды. Проводниками являются все металлы, водные растворы солей, кислот, щелочей, расплавы солей, ионизованные газы.

Рассмотрим поведение в электрическом поле только твердых металлических проводников. В металлах носителями свободных зарядов являются свободные электроны. Их называют электронами проводимости. Свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по куску металла в любом направлении.

Поместим незаряженный металлический проводник в однородное электростатическое поле.

Под действием поля в нем возникнет упорядоченное движение свободных электронов в направлении, противоположном направлению напряженности Ē этого поля. Электроны будут накапливаться на одной стороне проводника и образуют там избыточный отрицательный заряд, а их нехватка на другой стороне проводника повлечет образования там избыточного положительного заряда, то есть в проводнике произойдет разделение зарядов. Эти нескомпенсированные разноименные заряды появляются в проводнике только под действием внешнего электрического поля, то есть такие заряды являются индуцированными (приведенными). А в целом проводник остается незаряженным. В этом мы убеждаемся, вынимая проводник из электрического поля.

Вид электризации, при котором под действием внешних электрических полей происходит перераспределение зарядов между частями определенного тела, называют электростатической индукцией.

Нескомпенсированные электрические заряды, появившиеся на противоположных частях проводника, создают внутри проводника собственное электрическое поле напряженностью Ēвн. Направления внешнего и внутреннего полей — противоположные:

Проводник во внешнем электрическом поле

В результате перемещения свободных носителей заряда и накопления их на противоположных частях проводника напряженность Ē внутреннего поля увеличивается и, наконец, уравнивается по модулю с напряженностью Ēвн внешнего поля. Это приводит к тому, что напряженность результирующего поля внутри проводника равна нулю. К тому же на проводнике устанавливается равновесие зарядов.

Описание проводников

Проводники обладают наивысшей электропроводностью из всех типов веществ. Все проводники подразделяются на две большие подгруппы:

• Металлы (медь, алюминий, серебро) и их сплавы.
• Электролиты (водный раствор соли, кислоты).

В веществах первой подгруппы перемещаться способны только электроны, поскольку их связь с ядрами атомов слабая, в связи с чем, они достаточно просто от них отсоединяются. Так как в металлах возникновение тока связано с передвижением свободных электронов, то тип электропроводности в них называется электронным.

Параллельное соединение проводников

Из проводников первой подгруппы используют в обмотках электромашин, линиях электропередач, проводах. Важно отметить, что на электропроводность металлов оказывает влияние его чистота и отсутствие примесей.

Движиение электрического тока

В веществах второй подгруппы при воздействии раствора происходит распадение молекулы на положительный и отрицательный ион. Ионы перемещаются вследствие воздействия электрического поля. Затем, когда ток проходит через электролит, происходит осаждение ионов на электроде, который опускается в данный электролит. Процесс, когда из электролита под воздействием электрического тока выделяется вещество, получил название электролиз. Процесс электролиза принято применять, к примеру, когда добывается цветной металл из раствора его соединения, либо при покрытии металла защитным слоем иных металлов.

Описание диэлектриков

Диэлектрики также принято называть электроизоляционными веществами.

Все электроизоляционные вещества имеют следующую классификацию:

• В зависимости от агрегатного состояния диэлектрики могут быть жидкими, твердыми и газообразными.
• В зависимости от способы получения — естественными и синтетическими.
• В зависимости от химического состава – органическими и неорганическими.
• В зависимости от строения молекул – нейтральными и полярными.

К ним относятся газ (воздух, азот, элегаз), минеральное масло, любое резиновое и керамическое вещество. Данные вещества характеризуются способностью к поляризации в электрическом поле. Поляризация представляет собой образование на поверхности вещества зарядов с разными знаками.

В диэлектриках содержится малое количество свободных электронов, при этом электроны имеют сильную связь с ядрами атомов и только в редких случаях отсоединяются от них. Это означает, что данные вещества не обладают способностью проводить ток.

Данное свойство весьма полезно в сфере производства средств, используемых при защите от электрического тока: диэлектрические перчатки, коврики, ботинки, изоляторы на электрическое оборудование и т.п.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия

В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

В электронных приборах используются самые разные материалы. Основными элементами, применяемыми для этих устройств, является проводниковая и полупроводниковая продукция. Для более эффективного их использования, необходимо точно знать, чем отличаются проводники от полупроводников. Свойства каждого элемента, применяемые в комплексе, позволяют создавать приборы, обладающие уникальными качествами и характеристиками.

О полупроводниках

Полупроводник выступает в роли промежуточного вещества между проводником и диэлектриком. Самыми яркими представителями данного типа веществ являются кремний, германий, селен. Помимо этого, к данным веществам принято относить элементы четвертой группы периодической таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева.

Полупроводники: кремний, германий, селен

Полупроводники имеют дополнительную «дырочную» проводимость, в дополнение к электронной проводимости. Данный тип проводимости зависим от ряда факторов внешней среды, среди которых свет, температура, электрическое и магнитное поле.

В данных веществах имеются непрочные ковалентные связи. При воздействии одного из внешних факторов связь разрушается, после чего происходит образование свободных электронов. При этом, когда электрон отсоединяется, в составе ковалентной связи остается свободная «дырка». Свободные «дырки» притягивают соседние электроны, и так данное действие может производиться бесконечно.

Увеличить проводимость полупроводниковых веществ можно путем внесения в них различных примесей. Данный прием широко распространен в промышленной электронике: в диодах, транзисторах, тиристорах. Рассмотрим более подробно главные отличия проводников от полупроводников.

Чем отличается проводник от полупроводника?

Основным отличием проводника от полупроводника является способность к проводимости электрического тока. У проводника она на порядок выше.

Когда поднимается значение температуры, проводимость полупроводников также возрастает; проводимость проводников при повышении становится меньше.

В чистых проводниках в нормальных условиях при прохождении тока высвобождается гораздо большее количество электронов, нежели в полупроводниках. При этом, добавление примесей снижает проводимость проводников, но увеличивает проводимость полупроводников.

Разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором

Принципиальное различие между Проводником, Полупроводником и Изолятором зависит от их уровня проводимости. Проводники – это материалы, которые обеспечивают легкое протекание электрического тока, следовательно, имеют высокую проводимость, Полупроводники – это материалы, которые обладают умеренной проводимостью, тогда как изоляторы являются материалами, которые препятствуют прохождению заряда через них, и тем самым имеют низкую проводимость.

Проводимость твердых веществ является основным фактором, который отличает эти три материала и различия в их проводимости объясняет Теория электронных зон. Кроме того, проводники – имеют очень низкое сопротивление, полупроводники – чистые полупроводники имеют очень высокое сопротивление, а изоляторы – имеют чрезвычайно высокое сопротивление. Однако, существуют некоторые другие различия между Проводником, Полупроводником и Изолятором.

Содержание

1. Обзор и основные отличия
2. Зонная теория проводимости
3. Проводники
4. Изоляторы
5. Полупроводники
6. В чем разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором
7. Заключение

Зонная теория проводимости

Электроны вращаются вокруг положительного ядра отдельного атома на допустимых уровнях энергии, как показано серыми линиями слева на диаграмме ниже. В большом наборе атомов, например металлической проволоке или полупроводниковом кристалле, энергетические уровни реорганизуются в две зоны. Зона проводимости – это зона высших энергетических уровней электронов, а валентная зона – это зона нижних энергетических уровней электронов. В энергетической «щели» между зонами электроны не могут существовать.

Проводимость – это движение электронов в твердом теле. Для существования проводимости электроны должны свободно перемещаться в зоне проводимости и должны быть пространства в энергетических зонах для перемещения электронов.

Проводники

В проводнике отсутствуют запрещенные зоны между валентной и проводящей зонами. В некоторых металлах зоны проводимости и валентности частично перекрываются. Это означает, что электроны могут свободно перемещаться между валентной зоной и зоной проводимости.

Зона проводимости заполнена только частично. Это означает, что есть места для перемещения электронов. Когда электроны для валентной зоны движутся в зону проводимости, они могут свободно двигаться. Это позволяет проводнику проводить электрический ток.

Изоляторы

Изолятор имеет большой зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Валентная зона заполнена, так как никакие электроны не могут подняться до зоны проводимости. В результате зона проводимости становится пустой. Поскольку в зоне проводимости изолятора нет электронов, а в этой зоне проводимости могут легко перемещаться только электроны, материал не может проводить электрический ток.

Полупроводники

В полупроводнике зазор между валентной зоной и зоной проводимости меньше. При комнатной температуре достаточно энергии для перемещения некоторых электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это позволяет иметь некоторую проводимость. Повышение температуры увеличивает проводимость полупроводника, потому что больше электронов будет иметь достаточно энергии для перемещения в зону проводимости.

Диэлектрики.

Рис. 2

При T

= 0 валентные электроны целиком заполняют наинизшую зону, называемую
валентной зоной
(рис. 2). Свободных уровней в ней нет, а следующая разрешенная зона —
зона проводимости
— отделена от нее широкой запрещенной зоной. Если к такому образцу приложить электрическое поле, оно не сможет ускорить электроны, то есть создать электрический ток, так как ускорить электрон — значит сообщить ему дополнительную энергию, а, согласно законам квантовой механики, это можно сделать, только переведя его на более высокий энергетический уровень. Но принцип Паули запрещает электронам занимать уже занятые уровни, а попасть в следующую разрешенную зону, которая совершенно пуста, они не могут, потому что энергия, полученная от электрического поля, много меньше ширины Δ запрещенной зоны.

При температуре, отличной от нуля, электроны, в принципе, могут перейти в зону проводимости и стать носителями электрического тока. Однако для того чтобы число электронов, перешедших в эту зону, было достаточно большим, нужно диэлектрик нагреть до такой высокой температуры, что он расплавится, прежде чем ток достигнет измеримой величины. При комнатной температуре ток в диэлектрике практически не течет.

Проводники, изоляторы и полупроводники

Любое тело состоит из молекул и атомов. Атом включает в себя отрицательно заряженные электроны и положительно заряженное ядро. Электроны в атоме совершают орбитальные вращения вокруг ядра. В том случае, если сумма отрицательно заряженных электронов равна положительному заряду, то атом считается электрически нейтральным. В таблице Менделеева порядковый номер элемента определяется числом электронов атома с нейтральным зарядом. Электрический заряд электрона равен -1,6*10 -19 Кл. Заряд ядра по абсолютному значению равен заряду электрона, умноженному на число электронов атома с нейтральным зарядом.

Электроны атомов, как правило, расположены на внешних или внутренних орбитах. Те электроны, что расположены на внутренних орбитах, относительно прочно связываются с ядром атома. Валентные электроны, т.е. те, которые находятся на внешних орбитах, могут отрываться от атома и находиться в «свободном» состоянии до тех пор, пока не присоединятся к новому атому. Атом, у которого отсутствует какое-либо количество электронов называется ионом с положительным зарядом. А вот атом, к которому присоединились электроны, называется ионом с отрицательным зарядом.

Процесс формирования ионов называется — ионизацией. Количество «свободных» ионов или электронов, т.е. частиц, переносящих заряд, в единице объема вещества называют концентрацией носителей заряда. Электрический ток — это упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных частиц. Электропроводность — это способность вещества, под действием электрического поля, проводить через себя электрический ток.

Чем выше концентрация носителей заряда в веществе, тем больше его электропроводность. В зависимости от способности проводить электрический ток, вещества разделяют на 3 группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники электрического тока

Проводники — это вещества с высокой электропроводностью. Проводников бывает 2 типа: с электронной проводимостью и ионной проводимостью. К электронной проводимости относятся металлы и их сплавы. В металлах электрический ток создается перемещением электронов. Проходящий через такие проводники ток никак не сказывается на материале и не изменяет его химическую составляющую.

Высокий уровень электропроводности металлов обусловлен тем, что в них много «свободных» электронов, находящихся в состоянии беспорядочного движения и заполняющие объём проводника словно газ. При таком активном движении электроны сталкиваются с ионами неподвижной кристаллической решётки, состоящей из атомов вещества. В следствии чего электроны изменяют направление движения, скорость и свою кинетическую энергию.

Если в проводнике 1-го типа есть электрическое поле, то на заряды проводника действуют силы этого поля, упорядочивая их движение. Свободные электроны двигаются не в хаотическом порядке, а в одном направлении противоположно направлению поля (от минусовой клеммы к плюсовой). Данное упорядоченное движение свободных носителей заряда под действием электрического поля является — электрическим током (проводимости).

Проводники 2-го типа представляют собой растворы или расплавы солей, кислот, щелочей и т. п. в которых не завися от прохождения тока наблюдается электролитическая диссоциация.

Электролитическая диссоциация — это процесс распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы.

Положительные ионами выступают водород и ионы металлов. Отрицательные — гидроксильная группа и кислотные остатки.

Данные растворы или расплавы состоящие из ионов, частично или полностью, называются электролитами. Без воздействия внешнее электрическое поля, молекулы и ионы такого проводника будут находиться в состоянии хаотического движения.

При возникновении в таком проводнике электрического поля, движение ионов приобретает направленное упорядоченное движение, т. е. через проводник протекает ток (проводимости). Положительные ионы двигаются по направлению поля, а отрицательные против.

Полупроводники

Полупроводники — это вещества, электропроводность которых зависит от температуры, освещенности, электрических полей и примесей. К таким материалам относят: кремний, теллур, германий, селен, соединения металлов с серой и окислы металлов. Полупроводники отличаются еще и тем, что кроме электронной проводимости имеют и дырочную электропроводность. Дырочная электропроводность вызывается движением «дырок» из-за влияния электрического поля. «Дырки» — это свободные места в атомах, которые не заняты валентными электронами. Это подобно тому, что положительно заряженные частицы перемещаются так же, как и заряды, равные зарядам электронов. На сегодняшний день, использование полупроводников широко распространено в разных устройствах и приборах, например, в фоторезисторах и полупроводниковых диодах.

Электрические диэлектрики

Диэлектрики — это те вещества, в которых при нормальных условиях очень малое количество свободных электрически заряженных частниц. В следствии чего они обладают низкой электропроводностью. К диэлектрикам относятся газы, минеральные масла, лаки и твердые материалы (кроме металлов). Однако, если на диэлектрик будет действовать высокая температура или сильное электрическое поле, то начнется расщепление молекул на ионы, которые потеряют вследствие этого воздействия свои изолирующие свойства.

Содержание

• 1 Диэлектрики.
• 2 Полупроводники.
• 3 Полуметаллы.
• 4 Металлы.
• 5 Примечания

В классической физике было принято все вещества по их электрическим свойствам разделять на проводники и диэлектрики («Физика 9», §§44 и 46). Современная физика различает еще два промежуточных состояния — полупроводники («Физика 9», § 78) и полуметаллы. Лишь с появлением квантовой механики стало ясно, в чем различия между всеми этими типами веществ. В этой заметке мы постараемся вкратце описать суть современной квантово-механической теории, объясняющей электрические свойства твердых тел.

Твердое тело состоит из атомов, образующих кристаллическую решетку. Атомы удерживаются в решетке силами взаимодействия электрически заряженных атомных частиц — положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Электрический ток в кристалле — это движение электронов, которое подчиняется законам квантовой механики. Согласно этим законам, электроны и в отдельном атоме, и в кристалле могут обладать лишь определенными (разрешенными) значениями энергии, или, иными словами, находиться на определенных энергетических уровнях

. Чем выше уровень, тем большей энергии он соответствует.

Рис. 1

В атоме эти уровни расположены довольно далеко один от другого — принято говорить, что уровни образуют дискретный энергетический спектр (рис. 1). При определенных условиях электроны могут переходить с одного уровня на другой, разрешенный, уровень. Электрон с данной энергией может двигаться только по замкнутой траектории — орбите — вокруг ядра[1].

Когда атомы объединяются в кристалл, часть электронов по-прежнему остается на своих атомных орбитах, но наиболее удаленные от ядра электроны получают возможность двигаться по всему кристаллу благодаря тому, что внешние орбиты соседних атомов перекрываются. А это значит, что и энергетические уровни, раньше принадлежавшие отдельным атомам, становятся «общими» для всего кристалла. Вместо дискретных уровней в кристалле образуются энергетические зоны

, состоящие из очень близко расположенных уровней. Электроны, которые находятся на этих «обобществленных» уровнях, называются
валентными электронами
.

Валентные электроны движутся по орбитам, охватывающим весь кристалл, и, казалось бы, могут проводить электрический ток. Однако если бы все было так просто, все твердые тела были бы хорошими проводниками (металлами). Законы квантовой механики делают картину гораздо более сложной и разнообразной.

Во-первых, энергетические зоны разделены промежутками, в которых нет ни одного энергетического уровня. Эти промежутки называются запрещенными зонами

. Во-вторых, электроны подчиняются так называемому принципу Паули, согласно которому на каждом уровне в данном состоянии может находиться только один электрон. При наинизшей возможной температуре (равной абсолютному нулю) энергетические уровни последовательно снизу вверх (то есть начиная с наименьших значений энергии) заполняются электронами в соответствии с принципом Паули, а уровни с более высокими энергиями остаются свободными. Различная степень заполнения энергетических зон, а также различия в их относительном расположении и позволяют разделить все твердые тела на диэлектрики, полупроводчики, полуметаллы и металлы.

Знакомство с проводниками, полупроводниками и диэлектриками: технические характеристики

Что главное в материалах, которые используются для электричества? Главным их свойством является токопроводимость. Такие материалы делятся на три вида — проводники, полупроводники, диэлектрики.

Сегодняшняя статья посвящена именно этим материалам. Мы подробно рассмотрим что они из себя представляют, для чего используются и каким образом пропускают ток.

Итак, начнем с проводника

Проводник — это материя, которая состоит из свободных носителей заряженных частиц. При движении этих частиц возникает тепловая энергия, поэтому ему дали название — тепловое движение.

Есть два основных параметра проводника — сопротивление, обозначается буквой R или же проводимость, обозначается буквой G. Проводимость это показатель противоположный сопротивлению — G=1/R.

То есть проводник — это материал, который ведет ток.

Что же является проводником. Металлы — лучшие проводники, особенно медь и алюминий. Также проводниками являются солевые растворы, влажный грунт, углерод. Последний нашел широкое применение в работе со скользящими связями.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

G=1/R

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Перейдем к диэлектрикам

Диэлектрик — это материя, которая не подчиняется воздействию электрического поля, то есть не пропускает через себя ток, а если и пропускает, то в незначительном количестве.

Происходит это потому, что они не обладают свободно передвигающимися частицами — носителями тока, поскольку в них очень сильная атомная связь.

В жизни такими веществами выступают резина, керамические компоненты, стекло, отдельные виды смол, дистиллированная вода, карбонит, фарфор, текстолит, а так же сухое дерево и так далее.

Именно благодаря свои свойствам, вышеперечисленные материалы являются основой корпусов различных электрических приборов, выключателей, розеток, вилок и других приспособлений, которые контактируют с электричеством непосредственно.

Изоляционные элементы в сетях также изготовляются из диэлектрических материалов.

Но, не все так просто и с диэлектриками. Если пропускать через них ток выше нормы, хранить их или устанавливать в среде с высокими показателями влажности или неправильно их использовать, то можно вызвать такое явление, как «пробой изолятора» — это означает, что материал диэлектрика теряет свои токонепроводимые функции и становится проводником.

То есть, если в двух словах описать ситуацию, то основное в диэлектрике — это его электроизоляционные способности. Таким образом эти приборы помогают нам защититься от травмирующего воздействия электричества.

Свойства диэлектрика измеряются его электрической прочностью — это показатель, который равняется с напряжением пробоя диэлектрика.

И наконец мы дошли до полупроводников

Полупроводники называются так, потому что у них есть свойство проводить ток, но не всегда. Для этого данному веществу необходимо создать специальные условия. Нужно подать к нему энергию в определенным количестве.

Свои свойства полупроводник имеет потому, что в его структуре очень мало частиц, являющихся свободными носителями, а может быть такое, что их там вовсе нет. Но, стоит повлиять на них определенной энергией — и они появляются и активно двигаются.

Энергия может быть не только электрической, также можно воздействовать тепловой энергией, или различными излучениями. Например, свободно движущиеся элементы появляются при влиянии излучения в УФ-Спектре.

Материалами с такими свойствами являются германий, кремний, так же это может быть смешение арсенида и гелия, мышьяк, селен и прочие.

Применение полупроводников может быть различное. Из данного материала делают микросхемы, светодиоды, транзисторы, диоды и многое другое.

Для того, чтоб более подробно объяснить работу полупроводника, применим к нему так называемую зонную теорию. Упомянутая теория объясняет существование или неимение свободных заряженных частиц в отношении конкретных энергетических уровней.

Энергетический уровень (слой) — это число простых частиц, таких как молекул, атомов, то есть электронов. Данный показатель измеряется в Электронвольтах (ЭВ).

Следует обратить внимание на то, что слои проводника составляют непрерывную диаграмму от зоны валентности и до зоны проводимости. Если эти две зоны осуществляют накладку друг на друга, то возникает зона перекрытия.

В соответствии с влиянием некоторых влияний, например электрических полей, температурного режима и прочего, число электронов может меняться.

Исходя из вышеописанных процессов электроны при минимальной энергетическом воздействии начинают движение в проводнике.

Полупроводники между двумя вышеупомянутыми зонами имеют еще зону запрещенную. Величина данной зоны показывает количество той энергии, которой будет достаточно для проведения тока.

Диэлектрики по структуре похожи на полупроводники, но их защитный шар намного больше благодаря внутренним связям материала.

Мы рассказали о главных свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков. Можно сделать вывод, что отличаются они друг от друга своей проводимостью тока. Именно из-за этого у каждого материала есть своя зона применения.

Так, проводники применяются там, где нужна стопроцентная проводимость тока.

Использование диэлектриков приходится на изготовление различной изоляции токопроводящих участков.

Ну, а полупроводники активно применяют в электронике.

Думаем, данная статья раскрыла перед вами все нюансы работы проводников, диэлектриков и полупроводников, их основные отличия и сферы применения.

Полупроводники.

Рис. 3

От диэлектрика полупроводник отличается только тем, что ширина Δ запрещенной зоны, отделяющей валентную зону от зоны проводимости, у него много меньше (в десятки раз). При T

= 0 валентная зона в полупроводнике, как и в диэлектрике, целиком заполнена, и ток по образцу течь не может. Но благодаря тому, что энергия Δ невелика, уже при незначительном повышении температуры часть электронов может перейти в зону проводимости (рис. 3). Тогда электрический ток в веществе станет возможным, причем сразу по двум «каналам».

Во-первых, в зоне проводимости электроны, приобретая энергию в электрическом поле, переходят на более высокие энергетические уровни. Во-вторых, вклад в электрический ток дают… пустые уровни, оставленные в валентной зоне электронами, ушедшими в зону проводимости. Действительно, принцип Паули разрешает любому электрону занять освободившийся уровень в валентной зоне. Но, заняв этот уровень, он оставляет свободным свой собственный уровень и т. д. Если следить не за движением электронов по уровням в валентной зоне, а за движением самих пустых уровней, то оказывается, что эти уровни, имеющие научное название дырки

, тоже становятся носителями тока. Число дырок, очевидно, равно числу электронов, ушедших в зону проводимости (так называемых
электронов проводимости
), но дырки обладают положительным зарядом, потому что дырка — это отсутствующий электрон.

Таким образом, в полупроводнике электрический ток — это ток электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Такая проводимость полупроводника называется собственной

.

Электроны и дырки при движении по кристаллу взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, теряя при этом свою энергию. С этими потерями связано электрическое сопротивление вещества. При увеличении температуры потери энергии возрастают, так что сопротивление полупроводника должно было бы с ростом температуры тоже увеличиваться. Но при повышении температуры растет число электронов

, переходящих в зону проводимости, а следовательно, и число дырок r валентной зоне. Это значит, что растет (и очень быстро) общее число носителей тока. Из-за этого сопротивление полупроводника с повышением температуры не растет, а падает. Полупроводник и можно определить как
вещество, практически не проводящее ток при абсолютном нуле температур, но сопротивление которого с ростом температуры резко падает
.

В природе, однако, полупроводников с собственной проводимостью не существует: в них всегда имеются примеси других веществ, которые и определяют их электрические свойства. Наличие примесей приводит к тому, что в запрещенной зоне полупроводника появляются дополнительные энергетические уровни, с которых или на которые тоже возможны электронные переходы. Широкое применение полупроводников в технике стало возможным только после того, как технологи научились управлять содержанием примесей в полупроводниках и по своему усмотрению делать их проводимость (примесную проводимость

) почти чисто электронной или чисто дырочной.

Рис. 4

Оказывается, можно подобрать такие примеси, атомы которых легко отдают электроны. Освободившиеся при этом дополнительные уровни энергии располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника вблизи ее верхнего края (рис. 4, а). Такие примеси называются донорными примесями

, а уровни — донорными уровнями. Из рисунка 4, а видно, что при одной и той же температуре электронам с таких уровней гораздо легче перейти в зону проводимости, чем электронам из валентной зоны, поэтому примесные уровни и станут основными поставщиками электронов в зону проводимости. Но при этом в валентной зоне дырок появляться не будет, и проводимость полупроводника станет почти чисто электронной. Такие полупроводники называются полупроводниками
n
-типа.

Существуют и такие примеси, атомы которых легко присоединяют к себе электроны (акцепторные примеси

). Дополнительные уровни их электронов (акцепторные уровни) тоже располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника, но вблизи ее дна (рис. 4, б). В этом случае электронам из валентной зоны легче перейти на акцепторные уровни примеси, чем в зону проводимости. Тогда в валентной зоне появятся дырки без того, чтобы в зоне проводимости появились электроны. Получится полупроводник с почти чисто дырочной проводимостью, или полупроводник
p
-типа.

Наиболее известные полупроводниковые материалы — это германий и кремний, а их главные технические применения как раз и связаны с возможностью создания образцов n- и p-типов («Физика 9», с. 212).

Проектируем электрику вместе

Проводники и диэлектрики. Полупроводники

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества. Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда. Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами. Среди таких проводников лучшим примером является углерод.

Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R). Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).

G = 1/ R

То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток. Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет б о льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого. Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка). Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение. Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

§ 5. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Как нам уже известно, проводник представляет собой тело, которое содержит большое число свободных электронов, заряды которых компенсируются положительными зарядами ядер атомов. Если металлический проводник поместить в электрическое поле (рис. 12), то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению сил поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточный положительный заряд.

Рис. 12. Проводник в электрическом поле

Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике — индуцированными зарядами.

Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.

Результирующее электрическое поле внутри проводника уменьшается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перераспределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника εп, станет равной напряженности внешнего поля εвн, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.

Как было указано выше, диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды.

Рассматриваемое явление называется поляризацией диэлектрика.

Различают диэлектрики двух классов. У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь* (рис. 13).

* ()

У диэлектриков второго класса молекулы и в отсутствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными. К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю. Под действием внешнего электрического поля молекулы (а стало быть, и диполи) стремятся повернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего поля. С устранением электрического поля поляризация диэлектрика исчезает. Таким образом, поляризация представляет собой упругое смещение электрических зарядов в веществе диэлектрика.

При некоторой определенной величине напряженности электрического поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение — пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующие свойства и становится токопроводящим.

Напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется пробивной напряженностью εпр. Напряженность поля, допускаемая при работе диэлектрика εдоп, должна быть меньше пробивной напряженности. Отношение

называется запасом прочности.

Приведем значения пробивной напряженности (в кв/мм) для некоторых диэлектриков: