Чем отличаются полупроводники от металлов и диэлектриков по своим электрическим свойствам

Разница между полупроводниками и металлами

Твёрдые тела — это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.

Определение

Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.

Металлы — это твердые тела, которые имеют определенную структуру.

Сравнение

Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.

Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках. У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.

Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.

Выводы TheDifference.ru

1. Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
2. Электрический ток в металлах — это направленное движение электронов.
3. У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
4. Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.

Похожие статьи

(7 оценок, среднее: 4,14 из 5)

Чем отличаются между собой проводники, диэлектрики и полупроводники?

Все вещества состоят из атомов, молекул или ионов. Положительный ион получается из атома, лишившегося части электронов. Отрицательный ион, наоборот, получается за счет присоединения к атому дополнительных электронов. Ионами также могут быть и группы атомов, потерявшие или присоединившие электроны.

Атомы имеют положительно заряженное ядро и отрицательную электронную оболочку. В целом атомы и молекулы электрически нейтральны, поскольку несут одинаковые положительные и отрицательные заряды.

Все вещества по своим электрическим свойствам делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Это деление определяется структурой атома: чем легче оторвать от него электрон и тем самым получить свободные заряды, образующие электрический ток в веществе, тем больше его электропроводность.

Все металлы хорошие проводники, потому что в твердом состоянии представляют собой кристаллы, в узлах решетки которых расположены положительно заряженные ионы (атомы металла, лишившиеся электрона), а в промежутках между ними большое число свободных электронов, так называемый «электронный газ».

Именно наличие свободных электронов приводит к высокой электропроводности и теплопроводности металлов.

В диэлектриках, наоборот, свободные электроны практически отсутствуют, что обусловливает весьма низкую электропроводность (смотрите также — Почему диэлектрики не проводят электрический ток).

Силовой электрический кабель: медные жилы — проводник, изоляция — диэлектрик

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

При нуле Кельвина (273 о C) в полупроводнике свободные электроны отсутствуют. Однако если полупроводник нагреть, облучить, осветить и т. д., то часть электронов, получив избыток энергии, станут свободными, а атомы, лишившиеся электронов, положительными ионами.

Образуются так называемые пары электрон-дырка, способные образовать электрический ток при наличии внешнего электрического поля. При этом дырка ведет себя как эквивалентный положительный заряд, хотя в перемещении участвуют электроны, как бы по эстафете заполняющие дырку.

Наличие двух типов проводимостей (электронной и дырочной) приводит ко многим интересным свойствам полупроводников, обеспечивающим их широкое распространение в современной технике.

Полупроводниковый выпрямительный диод 1n4007

Электрические свойства вещества определяются не только особенностями строения атомов. Например, одни и те же атомы углерода могут образовывать диэлектрик (алмаз) и хороший проводник (графит). Эти вещества имеют различное строение кристаллической решетки.

Графитовые щетки для электродвигателя постоянного тока

Примеси и дефекты кристаллической решетки тоже сильно изменяют электрические свойства твердых тел, так как влияют на способность атомов терять или приобретать электрон.

Дефекты кристаллической решетки (например, наличие вакансий — свободных от ионов узлов решетки) или примеси ионов других веществ в решетке могут сильно изменить электропроводность вещества благодаря повышенной подвижности ионов в такой решетке.

Электрический ток в веществе обусловлен перемещение зарядов (в металлах — свободных электронов). При перемещении заряды взаимодействуют (сталкиваются) с атомами вещества, отдавая им свою энергию, полученную от внешнего электрического поля. Этот процесс обмена энергией вызывает нагрев вещества и обусловливает электрическое сопротивление току.

В 1911 году голландский ученый Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении до 4,2 K (268,80 о C) сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно, резким скачком упало до нуля — до значения, которое практически не может быть измерено.

Так было открыто явление сверхпроводимости, которое в 1930-х годах теоретически объяснил советский физик Л. Д. Ландау и лишь теперь начинает находить практическое использование (сверхпроводящие постоянные магниты, обмотки специальных электрических двигателей и мощных генераторов и т. д.).

В условиях сверхпроводимости образуются электронные пары, которые могут перемещаться в веществе, не взаимодействуя с ним.

Сверхпроводящий квадрупольный магнит, используемый для фокусировки частиц в БАК (Большом адронном коллайдере)

В настоящее время ведутся работы по созданию высокотемпературных сверхпроводников, которые позволили бы избежать необходимости применения дорогостоящих холодильных установок.

Предполагают, что «металлический водород», полученный из «обычного» твердого водорода воздействием на него чрезвычайно высокого давления, может явиться высокотемпературным сверхпроводником, способным работать при температурах до нескольких сот градусов Кельвина.

Большие надежды возлагаются также на полимерные сверхпроводники — органические соединения, в которых возможно существование электронных пар при «обычных» температурах.

Очень хорошим проводником является плазма — особое состояние вещества, когда под действием высокой температуры происходит сильная, практически полная его ионизация. Обилие электрических зарядов, как положительных, так и отрицательных, обусловливает высокую электропроводность плазмы.

Отличия между проводниками и диэлектриками:

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Металлы и диэлектрики — в чем отличия

Валентные электроны металла слабо связаны со своими атомами. Когда атомы металла, конденсируясь из металлического пара, образуют жидкий или твердый металл, внешние электроны оказываются уже не связанными с отдельными атомами и могут свободно перемещаться по всему телу.

Эти электроны обусловливают хорошо известную значительную проводимость металлов, они так и называются электронами проводимости.

Атомы металла, лишенные своих валентных электронов, т. е. положительные ионы, составляют кристаллическую решетку.

В кристаллической решетке ионы совершают хаотические колебания около своих наложений равновесия, называемых узлами решетки. Эти колебания представляют собой тепловое движение решетки и усиливаются с повышением температуры.

Электроны проводимости в отсутствие электрического поля в металле совершают беспорядочное движение со скоростями порядка тысяч километров в секунду.

При приложении напряжения к металлическому проводнику электроны проводимости, не ослабляя своего хаотического движения, сравнительно медленно сносятся электрическим полем вдоль проводника.

При таком сносе все электроны получают, дополнительно к хаотической скорости, еще к небольшую скорость упорядоченного движения (порядка, например, миллиметров в секунду). Именно это слабое упорядоченное движение к обусловливает электрический ток в проводнике.

Диэлектрики

Совсем иначе обстоит дело в других веществах, которые носят название изоляторов (на языке физики — диэлектриков). В диэлектриках атомы точно так же колеблются вокруг положений равновесия, как и в металлах, но они имеют полный комплект электронов.

Внешние электроны атомов диэлектрика сильно связаны со своими атомами, и разлучить их не так-то просто. Для этого нужно значительно поднять температуру диэлектрика или подвергнуть его какому-нибудь интенсивному облучению, которое смогло бы оторвать электроны от атомов. В обычном же состоянии электронов проводимости в диэлектрике нет, и диэлектрики не пропускают тока.

Большая часть диэлектриков является не атомными, а молекулярными кристаллами или жидкостями. Это значит, что в узлах решетки находятся не атомы, а молекулы.

Многие молекулы состоят из двух групп атомов или просто из двух атомов, один из которых электрически положителен, а другой отрицателен (такие молекулы называются полярными). Например, у молекулы воды положительной частью являются оба атома водорода, а отрицательной — атом кислорода, около которого большую часть времени вращаются электроны водородных атомов.

Два заряда, равные по величине, но противоположные по знаку, находящиеся на очень малом расстоянии друг от друга, называются диполем. Полярные молекулы представляют собой пример диполей.

Если молекулы не состоят из противоположных по заряду ионов (заряженных атомов), т. е. не являются полярными и не приставляют собой диполей, то они становятся диполями под действием электрического поля.

Электрическое поле тянет положительные заряды, входящие а состав молекулы (например, ядра), в одну сторону, а отрицательные — в другую и, раздвигая их, создает диполи.

Такие диполи называются упругими — поле растягивает их, как пружину. Поведение диэлектрика с неполярными молекулами мало отличается от поведения диэлектрика с полярными молекулами, и будем считать, что молекулы диэлектрика являются диполями.

Если кусок диэлектрика поместить в электрическое поле, т. е. поднести к диэлектрику электрически заряженное тело, обладающее, например, положительный нарядом, отрицательные ионы молекул-диполей будут притягиваться к этому заряду, а положительные — отталкиваться. Из-за этого молекулы-диполи будут поворачиваться. Этот поворот называют ориентацией.

Ориентация не представляет собой полного поворота всех молекул диэлектрика. Взятая наугад молекула в данный момент может оказаться повернутой против поля, и только в среднем у большого числа молекул существует слабая ориентация в сторону поля (т. е. больше молекул повернуто в сторону поля, чем в противоположную сторону).

Ориентации препятствует тепловое движение — хаотические колебания молекул вокруг их положений равновесия. Чем ниже температура, тем сильнее ориентация молекул, вызываемая данным полем. С другой стороны, при данной температуре ориентация, естественно, тем сильнее, чем больше поле.

Поляризация диэлектрика

В результате ориентации молекул диэлектрика на поверхность его, обращенную к положительному заряду, выступают отрицательные концы молекул диполей, а на противоположную поверхность — положительные.

На поверхностях диэлектрика образуются электрические заряды. Эти заряды носят название поляризационных, а их возникновение называется процессом поляризации диэлектрика.

Как следует из изложенного выше, поляризация, в зависимости от вида диэлектрика, может быть ориентационной (ориентируются готовые молекулы-диполи) и деформационной или поляризацией электронного смещения (молекулы в электрическом поле деформируются, превращаясь в диполи).

Может возникнуть вопрос, почему поляризационные заряды образуются только на поверхностях диэлектрика, а не внутри его? Объясняется это тем, что внутри диэлектрика положительные и отрицательные концы молекул-диполей как раз компенсируют друг друга. Компенсация будет отсутствовать только на поверхностях диэлектрика или на границе раздела двух диэлектриков, а также в неоднородном диэлектрике.

Если диэлектрик поляризован, то это не значит, что он заряжен, т. е. что он имеет в целом электрический заряд. При поляризации общий заряд диэлектрика не меняется. Однако диэлектрику можно сообщить заряд, перенося на него некоторое количество электронов извне или забирая некоторое число его собственных электронов. В первом случае диэлектрик зарядится отрицательно, а во втором — положительно.

Такую электризацию можно произвести, например, путем трения. Если потереть стеклянную палочку о шелк, то палочка и шелк зарядятся противоположными по знаку зарядами (стекло — положительно, шелк — отрицательно). У стеклянной палочки при этом будет отобрано некоторое число электронов (весьма малая доля общего числа электронов, принадлежащих всем атомам стеклянной палочки).

Итак, в металлах и других проводниках (например, электролитах) заряды могут свободно перемещаться по всему телу. Диэлектрики же не обладают проводимостью и в них заряды не могут перемещаться на макроскопические (т. е. большие по сравнению с размерами атомов и молекул) расстояния. В электрическом поле диэлектрик только поляризуется.

Поляризованность диэлектриков при напряженности поля, не превышающей определенных значений для данного материала пропорциональна напряженности поля.

Однако с ростом напряженности внутренние силы, связывающие элементарные частицы разных знаков в молекулах, становятся уже недостаточными, чтобы удержать эти частицы в пределах молекул. Тогда электроны вырываются из молекул, молекула ионизируется и диэлектрик теряет свои изоляционные свойства — происходит пробой диэлектрика.

Значение напряженности электрического поля, при котором начинается пробой диэлектрика, называется пробивным градиентом, или электрической прочностью диэлектрика.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Что такое проводник и диэлектрик?

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

• показатель сопротивления;
• показатель электропроводности.

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

Полупроводниками являются кремний и германий.