Полупроводники их отличие от металлов и диэлектриков. Что такое диэлектрик
Дискретным уровням атома в твердом теле соответствует всегда дискретная система разрешенных зон, разделенных запретными зонами. Как правило, если электроны образуют в атоме или молекуле законченную группу, то при объединении их в твердое или жидкое тело создаются зоны, все уровни которых заполнены, поэтому такие вещества будут обладать при абсолютном нуле свойствами изоляторов. Сюда относятся решетки благородных газов, молекулярные и ионные решетки соединений с насыщенными связями. В решетках алмаза, кремния, германия, a-олова, соединений типа AIIIBV, AIIBVI, CSi каждый атом связан единичными валентными связями с четырьмя ближайшими соседями, так что вокруг него образуется законченная группа электронов s 2p 6, и валентная зона оказывается заполненной.
Не вдаваясь в подробности строения зон, подчеркнем, что полупроводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валентная зона у них при T » 0°К всегда полностью заполнена электронами, а ближайшая свободная зона (зона проводимости) отделена от валентной зоной запрещенных состояний Ширина запрещенной зоны DЕ у полупроводников - от десятых долей электрон-вольт до 3 эв (условно), а у диэлектриков - от 3 до 5 эв (условно). Если между полупроводниками и диэлектриками существует только количественное различие, то отличие их от металлов качественное. Чтобы проходил ток в металле, не требуется никакого другого воздействия, кроме наложения электрического поля, так как валентная зона в металле не заполнена или перекрывается с зоной проводимости (рис. 20, а).
На рис. 20 изображены схемы появления дырки в атомной решетке элементарного полупроводника и возникновение электрона проводимости.
Рис. 20. Схема энергетических зон: а - в металле; б - в полупроводнике; в - в диэлектрике; DE - ширина запрещенной зоны
Для возбуждения проводимости в полупроводнике (Рис. 20, б) необходимо к электрону, находящемуся в заполненной валентной зоне, подвести энергию, достаточную для преодоления зоны запрещенных состояний. Только при поглощении энергии не меньше, чем DЕ, электрон будет переброшен из верхнего края валентной зоны в свободную зону (зону проводимости). Если этот энергетический порог преодолен, то чистый (собственно) полупроводник имеет электронную проводимость. Чем меньше ширина запрещенной зоны DЕ , тем больше проводимость при данной температуре. Так как у диэлектриков DЕ очень велика, то проводимость их очень мала (рис. 20, б).
При приближении к абсолютному нулю термическое возбуждение оказывается недостаточным, и полупроводники становятся диэлектриками, а металлы - сверхпроводниками. Чем выше температура и чем более интенсивно полупроводник облучается квантами с энергией hv не меньше DЕ, тем больше проводимость собственно полупроводника, так как увеличивается число электронов, перебрасываемых из валентной зоны в зону проводимости.
Для чистых полупроводников при убывании частоты падающего света коэффициент поглощения при некотором значении v резко падает, и материал становится прозрачным для лучей с меньшими частотами. Этот участок быстрого спада поглощения называется краем собственного поглощения. Длина волны X и частота v , отвечающая краю собственного поглощения, приближенно определяются условиями:
где DЕ называется оптической шириной запрещенной зоны.
Энергия квантов видимого света лежит в пределах 1,5-3,0 эв , т.е. обычно превышает энергию возбуждения проводимости (АЕ). Если в полупроводнике есть некоторое количество примесей, он становится непрозрачным в широкой области частот - от ультрафиолетовой вплоть до радиочастот.
Металлы при облучении светом практически не изменяют проводимость, так как число электронов проводимости в них не изменяется. Дальше мы остановимся на причинах большой чувствительности полупроводников к дефектам строения кристаллов и к нарушению состава, чем они также сильно отличаются от металлов.
Уход электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости оставляет свободное место (дырку) в валентной зоне с положительным зарядом, численно равным заряду электрона. Таким образом, дыркой называется освобожденное от электрона место в области нарушенной ковалентной связи, соединяющей соседние атомы собственно полупроводника, имеющее единичный положительный заряд.
Электрон, появившийся в междоузлии, является подвижным носителем заряда. Такие электроны, как и дырки, могут свободно перемещаться по кристаллу (диффундировать). Если поместить кристалл в электрическое поле с напряжением, падающим справа налево, то «свободный» электрон приобретает направленное движение против поля (вправо). Кроме того, на место образовавшейся дырки (+) перейдет электрон из какого-либо места соседней связи левее дырки. Таким образом, образуется новая дырка вместо прежней. Следовательно, дырка перемещается по направлению поля (влево) при скачках электронов в валентной зоне, совершающихся слева направо, как показано на рис. 21 (стрелками). Перенос заряда электронами валентной зоны называют дырочным. Таким образом, в собственных полупроводниках бывает двоякий механизм проводимости: электронный и дырочный. Удельная электропроводность полупроводника в общем случае выражается уравнением:
где: ип и ир - подвижности соответственно электронов и дырок; n и p - их концентрации.
Рис. 21. Схема разрыва валентной связи и появление свободного электрона и дырки как носителей заряда: а - в плоском изображении; б - в зонной энергетической диаграмме; А - атомы кремния или германия; (:) - валентные электроны, осуществляющие связь соседних атомов; (+) - дырка; (-) - свободный электрон; ЕС - нижний уровень свободной зоны; ЕВ - верхний уровень валентной зоны
В собственном полупроводнике
где: k - константа Больцмана, равная 1,38 × 10-16 эрг/град, или 0,863 × 10-4 эв /град; А для полупроводников с ковалентными связями (например, кремния и германия) пропорциональна Т 1,5, а подвижности носителей заряда пропорциональны Т -1,5, поэтому без большой погрешности можно написать
считая s0 - постоянной величиной для данного полупроводника. Логарифмируя, получим:
Это уравнение прямой линии In s = f
с угловым коэффициентом tg j = . Отсюда: 
где j - угол между прямой и положительным направлением оси 1/Т.
Так как этот угол всегда тупой, то tgj < 0, а DЕ > 0. Здесь DЕ называют термической шириной запрещенной зоны, т. е. вычисленной из температурного хода проводимости.
Возникновение пары электрон - дырка за счет нарушения нормально заполненной связи (НЗ) можно записать в виде уравнения обратимой реакции НЗ + DЕ ↔ + (где - электрон проводимости, - дырка). При заданной температуре устанавливается динамическое равновесие. Процесс, идущий слева направо, является генерацией электронов и дырок, а обратный процесс называется рекомбинацией электронов и дырок. При повышении температуры в соответствии с принципом Ле Шателье это равновесие сдвигается вправо. При данной температуре по закону действия масс можно записать константу равновесия так: К. = пр / [НЗ].Из того что практически очень большая величина [НЗ] постоянна, следует
Нормально заполненных связей практически столько, сколько связей в 1 см3. Например, в 1 см3 германия связей (6,02 × 1023 × 5,32/72,59) × 2 = 9,0 × 1022 (здесь 5,32 - плотность германия, г /см3; 72,59 - его атомная масса). Дробь, представляющая собой число атомов германия в 1 см3, умножается на 2 потому, что каждый атом имеет 4 связи с соседними атомами, но каждая связь соединяет два атома.
Для беспримесного полупроводника п = р = п i (п i - от слова intrinsic - собственный); поэтому предыдущее уравнение можно представить:
Это значит: произведение концентраций электронов проводимости и дырок в полупроводнике при постоянной температуре постоянное, равное произведению концентраций их в собственном полупроводнике при той же температуре и не зависит от характера и количества содержащихся в нем примесей. Для германия при 300o К пр - 6,25 × 1026. Отсюда концентрация электронов и дырок в беспримесном германии п = р = п i = 2,5 × 113 см -3.Для кремния ni примерно на три порядка меньше.
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 бо
льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.
Диэлектрики
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
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.
Полупроводники
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
В чем же разница между диэлектриком и проводником? В проводниках в отличие от диэлектриков, высокая концентрация свободных электрических зарядов. В металлах таковыми являются свободные электроны, которые способны передвигаться по всему объёму вещества. Возникновение свободных электронов обусловлено тем, что валентные электроны в атомах металлов весьма плохо взаимодействуют с ядрами и легко теряют связь с ними.
У диэлектриков, напротив, электроны с атомами крепко связаны и не имеют возможности свободно перемещаться под воздействием электрического поля. И так как количество свободных заряженных носителей в диэлектриках ничтожно мало, из этого следует, что в них отсутствует электростатическая индукция, и напряжённость электрического поля внутри диэлектриков не превращается в ноль, а только уменьшается.
Напряжённость нельзя повышать безгранично, т. к. при определенной величине все заряды могут сместиться настолько, что произойдет изменение структуры материала, иными словами, произойдет пробой диэлектрика. В этом случае он потеряет свои изоляционные свойства.
TheDifference.ru определил, что отличие диэлектрика от проводника заключается в следующем:
В проводнике свободные электроны, подвергающиеся влиянию сил электрического поля, перемещаются по всему объему.
В отличие от проводника, в диэлектрике (изоляторе) нет свободных зарядов. Изоляторы состоят из нейтральных молекул или атомов. Заряды в нейтральном атоме друг с другом сильно связаны и не могут перемещаться под воздействием электрического поля по всему объёму диэлектрика.
По структуре П. м. делятся на кристаллические, аморфные, жидкие. Ряд органич. веществ также проявляет полупроводниковые свойства и составляет обширную группу органических полупроводников. Наиб.значение имеют неорганич. кристаллич. П. м., к-рые по хим. составу разделяются на элементарные, двойные, тройные и четверные хим. соединения, растворы и сплавы. Полупроводниковые соединения классифицируют по номерам групп периодич. табл. элементов, к к-рым принадлежат входящие в их состав элементы.
Основные группы кристаллических полупроводниковых материалов (см. табл. 1):
1. Элементарные П. м.: Ge, Si, С (алмаз) , В, Sn, Те, Se и др. Важнейшими представителями этой группы являются Ge и Si - осн. материалы полупроводниковой электроники. Обладая 4 валентными электронами, атомы Ge и Si образуют кристаллич. решётку типа алмаза, где каждый атом имеет 4 ближайших соседа, с каждым из к-рых связан ковалентной, связью (координация соседей - тетраэдрическая). Они образуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов, также являющихся важными П. м.
2. Соединения типа Имеют в осн. кристаллич. структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллич. решётке носит преим. ковалентный характер с нек-рой долей (5-15%) ионной составляющей (см.Химическая связь).Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, GaP. Мн. П. м.
образуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов тройных p более сложных ( н т. д.), к-рые также являются важными П. м. (см.Гетеропереход, Гетерострцк-тура) .
3. Соединения элементов VI г r у и -п ы (О, S, Se, Те) с элементами I - V групп, а также с переходными и редкоземельными металлами. Среди этих П. м. наиб, интерес представляют соединения типа . Они имеют кристаллич. структуру типа сфалерита или вюрцита, реже - типа NaCl. Связь между атомами носит ковалентно-иошшй характер (доля ионной составляющей порядка 45-60%). Для П. м. типа характерныявлениеполиморфизма и наличие политипов кубической и гексагональной модификаций. Важнейшие представители: CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS. Мн. П. м. типа образуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов; важнейшие из них: ,
Физ. свойства в значит, мере определяются концентрацией собственных точечных дефектов структуры, проявляющих электрич. активность (центры рассеяния и рекомбинации).
Соединения типа имеют кристаллич. структуру типа NaCl или орторомбическую. Связь между атомами - ковалентно-ионная. Типичные представители: PbS, PbTe, SnTe. Они образуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов, среди них наиб, важны Собств. точечные дефекты структуры в имеют низкую энергию ионизации и проявляют электрич. активность.
Соединения типа имеют кристаллич. структуру типа сфалерита с незаполненных катионных узлов. По своим свойствам занимают промежуточное положение между и . Для них характерны низкие решёточная теплопроводность и подвижность носителей заряда . Типичные представители:
В полупроводниках при изменении температуры изменяется не только под-
вижность, но и концентрация носителей заряда. Если повысить температуру
беспримесного полупроводника, то часть атомов ионизируется, вследствие чего
возникают свободные электроны и дырки в одинаковом количестве. Зависимость
концентрации электронов и дырок от температуры определяется формулой:
Дырка[править | править исходный текст]
Основная статья: Дырка
Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.
Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.
Свободные электроны и дырки называются носителями зарядов, так как их направленное перемещение приводит к появлению тока в полупроводнике. Процесс появления в полупроводнике свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, вызванный нагревом полупроводника, называют термогенерацией носителей зарядов. Процесс возвращения свободных электронов из зоны проводимости в валентную зону, связанный с исчезновением носителей зарядов, называется рекомбинацией. В полупроводниковых материалах между процессами термогенерации и рекомбинации носителей зарядов устанавливается динамическое равновесие, при котором концентрация носителей зарядов, т. е. число свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне на 1 см3 полупроводника, остается неизменной при постоянной температуре полупроводника.
Процесс образования пары «электрон проводимости - дырка проводимости» называется генерацией пары носителей заряда (1 на 16.6). Можно сказать, что собственная электропроводность полупроводника - это электропроводность, вызванная генерацией пар «электрон проводимости - дырка проводимости». Образовавшиеся электронно-дырочные пары могут исчезнуть, если дырка заполняется электроном: электрон станет несвободным и потеряет возможность перемещения, а избыточный положительный заряд иона атома окажется нейтрализованным. При этом одновременно исчезают и дырка, и электрон. Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией (2 на 16.6). Рекомбинацию в соответствии с зонной теорией можно рассматривать как переход электронов из зоны проводимости на свободные места в валентную зону. Отметим, что переход электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождается высвобождением энергии, которая либо излучается в виде квантов света (фотоны), либо передается кристаллической решетке в виде тепловых колебаний (фононы).
Примесная проводимость полупроводников - электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорныхили акцепторных примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей.
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре порядка 3·10 13 / см 3 . В то же время число атомов германия в 1 см 3 ~ 10 23 . Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.
Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.
Примесными центрами могут быть:
1. атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;
2. избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;
3. различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.
Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.
Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).
Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As 5+ , которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях.
Энергия отрыва (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии равна 0,05 эВ = 0,08·10 -19 Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре связи у них уже укомплектованы электронами. В этом случае перемещения электронной вакансии - "дырки" не происходит и дырочная проводимость очень мала, т.е. практически отсутствует. Небольшая часть собственных атомов полупроводника ионизирована, и часть тока образуется дырками, т.е. донорные примеси - это примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения равного количества подвижных дырок. В итоге мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа.
В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In 3+ атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает». Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка. Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью - дырки, а неосновные - электроны.
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.
Свойства проводников и полупроводников
Очень многие вещества способны проводить электрический ток. Они могут находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Основными проводниками, применяемыми в электротехнике, являются различные виды металлов или их сплавов. Они отличаются высокими качествами проводимости и электрическим сопротивлением, характерным для каждого материала.
В электротехнике металлы применяются в качестве проводников, конструкционных и контактных материалов, а также для спаивания между собой любых видов проводников. Основным свойством проводников является наличие в них свободных электронов, обеспечивающих прохождение электрического тока.
К категории полупроводников относятся вещества, занимающие промежуточное место между . Эти границы достаточно условны, поскольку под влиянием различных факторов, полупроводники могут иметь свойства и проводников и изоляторов. Например, под влиянием низких температур, они становятся диэлектриками, а при повышении температуры, в них начинают появляться свободные носители зарядов. Это связано с тем, что при росте температуры, возрастают и колебания кристаллической решетки, разрывая определенные валентные связи и образуя свободные электроны, проводящие электрический ток.
Проводники и полупроводники: основные отличия
Для того, чтобы правильно использовать те или иные материалы в электронике и электротехнике, необходимо, прежде всего, знать, чем отличаются проводники от полупроводников. В проводниках всегда имеются свободные электроны, от которых зависит движение тока. В полупроводниках образование свободных электронов происходит только при наличии определенных условий. Это дает возможность технологического управления свободными носителями полупроводника.
Одним из основных отличий является более высокая проводимость проводников в сравнении с полупроводниками. Кроме того, если при повышении температуры проводимость полупроводника резко возрастает, то в проводнике, наоборот, происходит уменьшение этого показателя с одновременным ростом электрического сопротивления. Наличие примесей также оказывает неодинаковое действие: в проводниках они снижают проводимость, а в полупроводниках она повышается. Все эти свойства рационально используются в электронных приборах, позволяя добиваться их максимальной эффективности.
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.
- 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.
Из проводников первой подгруппы используют в обмотках электромашин, линиях электропередач, проводах. Важно отметить, что на электропроводность металлов оказывает влияние его чистота и отсутствие примесей.
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 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.
Предыдущая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства