Чем отличаются полупроводники от проводников и диэлектриков кратко

Обновлено: 05.07.2024

В зависимости от ширины запрещенной зоны, характера заполнения электронами валентной зоны и величины электропроводности все твердые тела делятся на три класса:

Проводники, в которых запрещенная зона отсутствует (DE = 0), а электропроводность колеблется в пределах 10 6 -10 4 Ом -1 · см -1 ;
Диэлектрики (изоляторы), для которых ширина запрещенной зоны составляет DE> 4,0 эВ, а электрическая проводимость — 10 -10 -10 -12 Ом -1 · см -1 ;
Полупроводники , в которых ширина запрещенной зоны составляет DE = 1,5-2,0 эВ, а электрическая проводимость — 10 4 -10 -10 Ом -1 · см -1 .

Проводники

Проводники имеют частично заполненную валентную зону, которая перекрывается с зоной проводимости. Это приводит к способности валентных электронов свободно перемещаться в кристалле или направлено двигаться под действием внешнего поля. Отсутствие запрещенной зоны у металлов объясняется тем, что в их кристаллах s- и p-зоны перекрываются, а количество валентных электронов чрезвычайно мало по сравнению с числом свободных орбиталей в валентной зоне.

Спаренные электроны валентной зоны могут свободно переходить с нижних энергетических уровней на свободные уровни, в том числе и на свободные уровни зоны проводимости. Это обеспечивает высокую электропроводность металлов. Наибольшую электропроводность, с точки зрения зонной теории, имеют металлы, в которых количество электронов в валентной зоне равно числу электронных уровней в зоне проводимости. При этом условии все электроны могут переходить в квазисвободное состояние и участвовать в переносе электричества. К металлам с высокой электропроводностью принадлежат щелочные металлы (Li, Na, K), d-металлы I группы (Cu, Ag, Au), а также металлы II группы (Mg, Ca, Sr, Zn, Cd, Hg), в которых наблюдается перекрытие валентной зоны и зоны проводимости.

Диэлектрики

Диэлектрики имеют полностью заполненную валентную зону и большую ширину запрещенной зоны. Электроны валентной зоны, даже при сильном возбуждении атомов (нагрев, облучение и т.д.), не способны преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости.

К диэлектрикам относятся твердые вещества с ковалентной (алмаз, кварц) или ионным типом связи (оксиды MgO, Al₂ O₃ , TiO₂ , соли NaCl, CaF₂ и т.д.). Для ионных кристаллов ширина запрещенной зоны превышает DE> 6 эВ. В молекулярных кристаллах энергетические уровни локализованы в пределах молекул и энергетические зоны не возникают, поэтому такие вещества — диэлектрики.

Полупроводники

Полупроводники по своей удельной проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. От проводников они отличаются повышенной зависимостью электропроводности от содержания примесей, от действия различных видов излучения и от температуры: вблизи абсолютного нуля (0 К) полупроводники приобретают свойства диэлектрика, а при росте температуры их электрическая проводимость усиливается. От диэлектриков полупроводники отличаются значительно меньшей шириной запрещенной зоны и меньшей величиной энергии, необходимой для отрыва электрона от атома (1,7 · 10 -19 Дж / моль против 11,2 · 10 -19 Дж / моль).

Возникновение электропроводности в полупроводниках объясняется следующим образом. В полупроводниковых кристаллах атомы соединены между собой ковалентными связями, образованными при перекрытии орбиталей валентных электронов — значит, валентная зона заполнена полностью. Но под влиянием внешних факторов (температура, электрическое поле или облучения) некоторые электроны получают энергию, достаточную для отрыва от атомных ядер, и переходят из валентной зоны в зону проводимости. За счет этих электронов может происходить перенос электрического тока, обеспечивает n-проводимость — так обозначают проводимость, обусловленную перемещением электронов (от лат. слова negative).

Вследствие отрыва электронов от атома и перехода в зону проводимости, на их местах в валентной зоне возникают электронные вакансии (не полностью заняты электронами энергетические уровни) — так называемые дырки , количество которых равно количеству электронов.

В валентной зоне электрон, который размещается рядом с дыркой, перемещается на это свободное место, оставляя после себя новую дырку, на которую передвигается следующий электрон и т.д. Такой дрейф электронов эквивалентен перемещению дыр в противоположном направлении. В электрическом поле дырки ведут себя как положительные заряды, но следует еще раз подчеркнуть, что перемещение дырки — это не движение носителя электрического заряда, а результат перескакивание электронов. Это явление получило название p-проводимости (от лат. слова positive).

Электронно-дырочный механизм электропроводности проявляется в собственных полупроводниках — таких, которые не содержат примесей.

Если необходимо усилить проводимость n-типа в полупроводник вводят примесные доноры, атомы которых способны отдавать электроны, увеличивая проводимость. Например, в кристалле кремния Si, атомы которого имеют четыре электрона на внешнем уровне один атом Si замещается атомом Р, на внешнем уровне которого содержится пять электронов; четыре из них образуют ковалентные связи с соседними атомами Si, а один электрон находится на свободной орбитали атома фосфора. При получении кристаллом Si небольшой энергии (≈ 4,4 кДж / моль) этот электрон легко отщепляется от примесного атома Р и переходит из валентной зоны через запрещенную зону в зону проводимости, то есть играет роль переносчика электрического тока. Но в целом кристалл Si сохраняет электронейтральность. По отношению к кремнию Si примесными донорами являются р-элементы V группы.

При необходимости усиления проводимости р-типа вводят примесные акцепторы, Атомы которых способны повышать дырочную проводимость. Например, в кристалле Si (с четырьмя электронами на внешнем уровне атома) один из атомов Si замещается атомом бора B, на внешнем энергетическом уровне которого находится только три электрона. При образовании атомом бора четырех ковалентных связей с атомами Si возникает дефицит одного электрона в каждом узле кристаллической решетки, содержащий атом B. При получении таким кристаллом небольшого количества энергии атом бора захватывает электрон из соседнего ковалентной связи, превращаясь в отрицательно заряженный ион, а на месте захваченного электрона возникает дырка. Если поместить кристалл в электрическое поле, то дырка становится как бы носителем заряда. Однако электрическая нейтральность кристалла не нарушается. По отношению к кремнию Si примесными акцепторами могут быть р-элементы III группы, а также Zn, Fe, Mn.

В зависимости от механизма проводимости полупроводники делят на таки типы:

Иногда полупроводники классифицируют по их химической природе, рассматривая неорганические и органические полупроводники. Однако чаще всего для полупроводников используют другую классификацию, согласно которой их делят на простые и сложные.

Простые полупроводники

Они бывают двух типов:

Собственные полупроводники, к которым относятся сверхчистые кристаллы простых веществ (Si, Ge, Se, Te, B); для собственных полупроводников присуща p-проводимость;
Примесные полупроводники, в которых количество электронов не равно количеству дырок, так как атомы примесей, содержащих в кристаллической решетке основного вещества, могут или отдавать электроны (донорные примеси), или захватывать их (акцепторные примеси). Например, донорные примеси Р, As, Sb в кристаллической структуре германия Ge отдают электроны, в результате чего электронная проводимость таких полупроводников превышает дырочную. Если же в кристаллическую решетку германия ввести акцепторные примеси (Al, Ga, In), то дырочная проводимость такого полупроводника будет преобладать над электронной.

Сложные полупроводники

Сложные полупроводники отличаются нестехиометрическим составом и содержат одновременно донорные и акцепторные примеси. При близости концентраций донорных и акцепторных примесей полупроводник называется компенсированным. В зависимости от того, какой компонент является избыточным, сложный полупроводник может проявлять проводимость n- или p- типа. К сложным полупроводникам относятся соединения р-элементов III группы с р-элементами V группы (GaP, InP, InSb), p-элементов II группы с элементами V и группы (ZnS, ZnTe, CdSe, CdS), p-элементов IV группы (ShC ). Известно много полупроводников более сложной природы (GaAs_xP_1-x , In_xGa_1-xSb, ZnS₁_± _x ), в которых варьирование проводимости достигается за счет изменения соотношения атомов металла и неметалла в кристалле.

Полупроводники широко применяются для изготовления электронных приборов, используемых для преобразования и передачи информации (диоды, транзисторы, фото- и термоэлектронные приборы, микросхемы), также как лазерные материалы, в голографии и др.

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

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

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

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

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

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

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

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

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

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

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

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

Что такое проводник

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

Что такое диэлектрик

Что такое полупроводник

Зонная теория

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

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

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

Проводники электрического тока

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

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

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

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

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

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

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

Полупроводники

Электрические диэлектрики

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

Читайте также: