Чем отличается проводник от полупроводника?
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:
- Проводники.
- Диэлектрики.
- Полупроводники.
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.
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.
В чём разница?
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
- Обзор и основные отличия
- Зонная теория проводимости
- Проводники
- Изоляторы
- Полупроводники
- В чем разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором
- 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.
С левой стороны расположены горизонтальные линии, которые располагаются ближе друг к другу при увеличении уровней энергии
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.
Зоны в проводниках
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.
Зоны в изоляторах
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.
Зоны в полупроводниках
Разница между изоляторами и полупроводниками обусловлена небольшим количеством примесей, добавляемых в полупроводник, что влияет на энергетические зоны. Этот процесс называется легированием.
Полупроводниковые материалы.
Элементы, которые используются в качестве полупроводников, такие как кремний и германий, имеют четыре электрона на внешней оболочке. Это означает, что они могут образовывать четыре связи с другими одинаковыми атомами. В кристалле чистого кремния каждый атом кремния окружен четырьмя другими атомами кремния. В этом состоянии кремний не будет проводить.
Полупроводник с p-n переходом
Чистый кремний может быть легирован незначительными количествами примесей путем диффузии примесей в виде газа в жидкий полупроводник до его кристаллизации.
Полупроводники n-типа
Если примесный элемент с пятью электронами внешней оболочки, такой как мышьяк, добавить в кремний в небольших количествах (примерно от одного примесного атома на каждый миллион атомов кремния), то примесные атомы будут вписываться в кристаллическую структуру. Дополнительный электрон внешней оболочки не будет связан с валентной зоной кристалла. Это легирование влияет на способность электронов перемещаться между энергетическими зонами. При этом в зоне проводимости доступно больше электронов.
Эта примесь заставляет материал проводить и называется полупроводник n-типа. n-тип относится к отрицательному заряду дополнительного электрона.
Полупроводники p-типа
Если примесный элемент с тремя электронами внешней оболочки, такой как индий, добавляется в кремний в одинаковых малых количествах, примесные атомы будут вписываться в кристаллическую структуру, но при этом пропадет один электрон. Это легирование дает больше места для электронов выше валентной зоны. Это увеличивает проводимость материала.
Эта примесь заставляет материал проводить и называется полупроводник p-типа. р-тип относится к небольшому положительному заряду зазора, вызванному отсутствием электрона.
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 . 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.
— это упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных частиц.
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
— 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 наблюдается электролитическая диссоциация.
—
Положительные ионами выступают водород и ионы металлов. Отрицательные — гидроксильная группа и кислотные остатки.
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
— 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
— 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.
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.
Примером такого применения являются щетки в электрическом двигателе. Человеческое тело — тоже проводник электрического тока. Но электропроводные свойства у вышеперечисленных материалов все же ниже, чем в металлах.
Сама структура металлов предполагает в себе огромное количество свободных заряженных частиц, что и делает их лучшими проводниками.
Когда металл попадает под действие электрических полей, то происходит процесс так называемой электроиндукции. То есть заряженные частицы начинают активно двигаться и распределятся.
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.
Проектируем электрику вместе
Проводники и диэлектрики. Полупроводники
Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.
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 и . 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 –
Нужно понимать, что представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, . Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет б 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,
Такие вещества называют 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.
Источник: