Чем полупроводники отличаются от проводников и диэлектриков

В чём состоит основное отличие полупроводников от проводников и диэлектриков?

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,713
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта

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

Чем полупроводники отличаются от проводников и диэлектриков

Анализ выражений (1.20-1.23) проведем с учетом природы и поведения носителей заряда в различных средах. В первую очередь необходимо выяснить механизмы появления и исчезновения зарядов.

Сначала необходимо рассмотреть электронное строение разных сред.

В газах электроны находятся на орбитах, принадлежащих конкретным атомам, или молекулам. Согласно квантовой модели атома, электрон может находиться только на определенных орбитах, которым соответствуют определенные, квантованные уровни энергии. На каждом уровне может находиться только один электрон. Электрон, находящийся на уровне, соответствующем самой дальней орбите, имеет самую слабую связь с ядром. Поэтому он легче всего ионизируется, т.е. отрывается от ядра.

Энергия, которую надо сообщить электрону, находящемуся в основном состоянии, для отрыва от “материнского” иона называется энергией ионизации W.

Чтобы оторвать второй электрон, надо сообщить ему гораздо больше энергии. Это второй уровень ионизации. Существует несколько уровней возбуждения, т.е. если сообщить электрону, энергию меньшую, чем энергия ионизации, то электрон перейдет на какой-либо уровень возбуждения. Все уровни дискретны. Их можно схематически изобразить на рисунке.

При сближении, допустим, двух атомов с одинаковыми энергетическими уровнями до расстояния, когда орбиты перекрываются, произойдет объединение электронных систем, причем каждый уровень разделится на два, которые чуть-чуть отличаются один от другого. Дело в том, что согласно законам квантовой физики, в принципе не может быть двух одинаковых уровней. Этот принцип называется принципом Паули. Когда объединятся три атома — будет три расщепленных уровня. Когда образуется кристалл — будет из каждого уровня образована зона. В принципе в зоне уровни практически сливаются и можно говорить о сплошном спектре. При этом верхняя часть зоны располагается выше, чем начальный уровень. Нижняя часть зоны располагается ниже, чем начальный уровень.

Могут возникнуть ситуации, когда из-за этого сдвига, зоны, соответствующие разным соседним уровням, будут перекрываться. Здесь наиболее интересен случай, когда перекрывается зона, занятая электронами и зона, которая появилась из расщепленного возбужденного уровня. Этот случай соответствует металлам. Когда эти зоны не перекрываются, между ними существует область запрещенных энергий, т.н. запрещенная зона . В зависимости от ширины этой зоны можно говорить о полупроводниках и диэлектриках. Ниже запрещенной зоны находится валентная зона, а выше — зона проводимости.

Для металлов зоны перекрываются, и электроны могут свободно перемещаться по образцу. Ширина запрещенной зоны равна нулю. Поэтому подвижные электроны всегда существуют в металлах в большом количестве. Можно посмотреть на это с других позиций. Дело в том, что в атомах металлов электроны достаточно слабо связаны с ионными остатками. Поэтому при образовании из атомов собственно материала металла эти электроны от разных атомов как бы обобществляются и могут свободно передвигаться по всему объему металла. Они и являются носителями заряда. Примерное количество электронов в металле составляет около 10 22 шт/см 3 . Их подвижность также велика. Оценки дают значения b_i примерно 10 2 -10 3 см 2 /(В·с). Значения удельного сопротивления у металлов обычно находятся в диапазоне 0.01 мкОм·м до 1 мкОм·м.

При протекании тока в металле электрическое поле мало. Можно сделать оценку по выражению (1.23). Если взять медный провод сечением 2 мм 2 и пропустить ток 5 А, то при удельном сопротивлении меди r =1.7· 10 -8 Ом·м, получим E=j· r = 4·10 -2 В/м, или E= 40 мВ/м. Если таким проводом протянуть питание на расстояние 1 км, то получим на нем падение напряжения 40 В.

В диэлектриках и полупроводниках , зонная структура такова, что существует запрещенная зона определенной ширины. При этом в полупроводниках ширина зоны составляет примерно от доли электрон-вольта до 3 электрон-вольт, в диэлектриках ширина зоны составляет примерно от 3 электрон-вольт до 10 электрон-вольт. Для того, чтобы возникла электропроводность в этих веществах, заряды должны попасть из валентной, занятой электронами зоны, в зону проводимости, т.е. каждый свободный заряд появится, если только ему сообщить энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны.

Под действием не очень сильных электрических полей, заряды появляются, в первую очередь, путем термоионизации молекул основного вещества или примесей, либо за счет появления из электродов. Последний способ называется эмиссией носителей заряда. При всех способах в диэлектрике появляются, в основном, электроны и ионы. Оценку концентрации носителей заряда можно сделать из общих энергетических соображений. Изменение n_e определяется

где n — концентрация молекул, n — частота колебаний электрона в молекуле (~10 14 1/сек), W-энергия ионизации (ширина запрещенной зоны), k- постоянная Больцмана, Т — температура. При комнатной температуре kT~1/40 эВ.

Здесь важно учесть не только появление носителей заряда, но и их исчезновение. Механизмы исчезновения зарядов — рекомбинация электрона с ионом, уход на поверхности и электроды. Для рекомбинации можно воспользоваться выражением

= — Kr ne 2 (1.24)

где K_r — коэффициент рекомбинации. В равновесии количество носителей не меняется со временем, объединяя (1.23) и (1.24) получим окончательное выражение для концентрации свободных электронов.

Окончательно получим формулу для оценки проводимости по выражению (1.22) за счет появления электронов путем термоионизации с учетом (1.25):

Твердые диэлектрики. Здесь носителями заряда могут быть электроны и дырки. Ионы “вморожены”, практически не имеют возможности движения, т.к. b_i ~10 -23 м 2 /В·с. Подвижность электронов и дырок достаточно высока и может достигать b_e~10 -3 м 2 /(В·c). Количество электронов и дырок определяется шириной запрещенной зоны W~5-10 эВ, тепловой энергией kT~1/40 эВ, плотностью молекул n~10 27 шт/м 3 и составляет пренебрежимо малую величину. Наглядно оценить ее ничтожность для диэлектриков можно с помощью выражения (1.24) ~ 10 27 ·e -200 ·10 14 ~ 10 41 ·20 -67 ~10 41 ·2 -67? 10 -67 ~ 10 41 ·10 -20 ·10 -67 ~10 -46 шт/(м 3 ·сек). Рекомбинация носителей заряда в твердых телах не затруднена. Ясно, что по этому механизму проводимость твердых диэлектриков практически отсутствует, т.к. заметное изменение концентрации возможно лишь за времена, сопоставимые с геологическими периодами. Поскольку основную роль в выражениях (1.23), (1.26) играет экспоненциальный множитель, то лишь наличие примесей с энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны, вблизи от края зоны с D W~1 эВ, дает возможность проводимости твердых тел. Поскольку таких примесей обычно немного, электропроводность диэлектриков обычно мала.

Полупроводники. Для полупроводников с малой шириной запрещенной зоны существенный вклад в электропроводность может дать термоионизация молекул вещества. Однако гораздо более сильную роль играют специальные, т.н. “легирующие” добавки. Дело в том, что если в полупроводник ввести примеси, энергетические уровни которых будут попадать в запрещенную зону основного вещества, то ионизация этих уровней, если они заняты и энергетически близки к зоне проводимости приведет к появлению зарядов в зоне проводимости. Если уровни не заняты, и энергетически близки к валентной зоне, то электроны могут выйти из валентной зоны и осесть на этих уровнях. Тогда в валентной зоне появятся подвижные положительно заряженные объекты, т.н. дырки.

Газообразные диэлектрики. Рекомбинация носителей не затруднена, т.к. заряды разного знака могут беспрепятственно сближаться на близкое расстояние. В оценке считаем n~10 25 шт/м 3 , энергию ионизации W~10-20 эВ, подвижность электронов b_e~10 -3 м 2 /(В·c), ионов b_i~10 -4 м 2 /(В·c), заряд e=1.6 · 10 -19 Кл.
Определяющим фактором является экспоненциальный множитель e -W/kT ,
при этом ~ 10 25 ·e -400 ·10 14 ~ 10 39 ·20 -133 ~ 10 39 ·2 -133 ·10 -133 ~ 10 39 ·10 -40 ·10 -133 ~ 10 -136 шт/(м 3 ·сек), что дает пренебрежимо малую проводимость.

На самом деле фактором, определяющим проводимость газов, является космическое излучение. Обычно в воздухе образуется порядка 1000 шт. электронов и ионов в 1 см 3 за 1 сек. Часть электронов и ионов быстро рекомбинирует, часть прилипает к нейтральным молекулам, образуя отрицательные долгоживущие ионы. В состоянии равновесия в объеме газа обычно находится до 10 9 ионов/м 3 . Отсюда проводимость воздуха за счет естественной ионизации составит s ~10 -14 См/м. Отметим, что если искусственно создавать носители заряда — то в газе можно получить высокую проводимость.

Проектируем электрику вместе

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.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие и плохие. Связано это с тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.
Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.

Существуют вещества, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками. Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости — уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из рис. 1 , стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника.

Рис. 1 . Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Примерами классических полупроводников являются такие химические элементы, как кремний (Si) и германий (Ge). Более подробно об этих элементах читайте в статье «О проводимости полупроводников».

Статьи по теме: 1. Что такое электрический ток?
2. Постоянный и переменный ток
3. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
4. Направление электрического тока
5. О скорости распространения электрического тока
6. Электрический ток в жидкостях
7. Проводимость в газах
8. Электрический ток в вакууме
9. О проводимости полупроводников

Внимание!
Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Сайт посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и процессы, в них происходящие.