Содержание

Чем полупроводники отличаются от металлов. Примеры полупроводников

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.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

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

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся.

Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

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.

Кикоин А.К. Диэлектрики, полупроводники, полуметаллы, металлы //Квант. – 1984. – № 2. – С. 25-29.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала “Квант”

В классической физике было принято все вещества по их электрическим свойствам разделять на проводники и диэлектрики («Физика 9», §§44 и 46). Современная физика различает еще два промежуточных состояния – полупроводники («Физика 9», § 78) и полуметаллы. Лишь с появлением квантовой механики стало ясно, в чем различия между всеми этими типами веществ. В этой заметке мы постараемся вкратце описать суть современной квантово-механической теории, объясняющей электрические свойства твердых тел.

Твердое тело состоит из атомов, образующих кристаллическую решетку. Атомы удерживаются в решетке силами взаимодействия электрически заряженных атомных частиц – положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Электрический ток в кристалле – это движение электронов, которое подчиняется законам квантовой механики. Согласно этим законам, электроны и в отдельном атоме, и в кристалле могут обладать лишь определенными (разрешенными) значениями энергии, или, иными словами, находиться на определенных

энергетических уровнях . Чем выше уровень, тем большей энергии он соответствует.

В атоме эти уровни расположены довольно далеко один от другого – принято говорить, что уровни образуют дискретный энергетический спектр (рис. 1). При определенных условиях электроны могут переходить с одного уровня на другой, разрешенный, уровень. Электрон с данной энергией может двигаться только по замкнутой траектории – орбите – вокруг ядра .

Когда атомы объединяются в кристалл, часть электронов по-прежнему остается на своих атомных орбитах, но наиболее удаленные от ядра электроны получают возможность двигаться по всему кристаллу благодаря тому, что внешние орбиты соседних атомов перекрываются. А это значит, что и энергетические уровни, раньше принадлежавшие отдельным атомам, становятся «общими» для всего кристалла.

Вместо дискретных уровней в кристалле образуются энергетические зоны , состоящие из очень близко расположенных уровней. Электроны, которые находятся на этих «обобществленных» уровнях, называются валентными электронами .

Валентные электроны движутся по орбитам, охватывающим весь кристалл, и, казалось бы, могут проводить электрический ток. Однако если бы все было так просто, все твердые тела были бы хорошими проводниками (металлами). Законы квантовой механики делают картину гораздо более сложной и разнообразной.

Во-первых, энергетические зоны разделены промежутками, в которых нет ни одного энергетического уровня. Эти промежутки называются запрещенными зонами . Во-вторых, электроны подчиняются так называемому принципу Паули, согласно которому на каждом уровне в данном состоянии может находиться только один электрон. При наинизшей возможной температуре (равной абсолютному нулю) энергетические уровни последовательно снизу вверх (то есть начиная с наименьших значений энергии) заполняются электронами в соответствии с принципом Паули, а уровни с более высокими энергиями остаются свободными.

Различная степень заполнения энергетических зон, а также различия в их относительном расположении и позволяют разделить все твердые тела на диэлектрики, полупроводчики, полуметаллы и металлы.

Диэлектрики.

При T = 0 валентные электроны целиком заполняют наинизшую зону, называемую валентной зоной (рис. 2). Свободных уровней в ней нет, а следующая разрешенная зона – зона проводимости – отделена от нее широкой запрещенной зоной. Если к такому образцу приложить электрическое поле, оно не сможет ускорить электроны, то есть создать электрический ток, так как ускорить электрон – значит сообщить ему дополнительную энергию, а, согласно законам квантовой механики, это можно сделать, только переведя его на более высокий энергетический уровень. Но принцип Паули запрещает электронам занимать уже занятые уровни, а попасть в следующую разрешенную зону, которая совершенно пуста, они не могут, потому что энергия, полученная от электрического поля, много меньше ширины Δ запрещенной зоны.

При температуре, отличной от нуля, электроны, в принципе, могут перейти в зону проводимости и стать носителями электрического тока. Однако для того чтобы число электронов, перешедших в эту зону, было достаточно большим, нужно диэлектрик нагреть до такой высокой температуры, что он расплавится, прежде чем ток достигнет измеримой величины. При комнатной температуре ток в диэлектрике практически не течет.

Полупроводники.

От диэлектрика полупроводник отличается только тем, что ширина Δ запрещенной зоны, отделяющей валентную зону от зоны проводимости, у него много меньше (в десятки раз). При

T = 0 валентная зона в полупроводнике, как и в диэлектрике, целиком заполнена, и ток по образцу течь не может. Но благодаря тому, что энергия Δ невелика, уже при незначительном повышении температуры часть электронов может перейти в зону проводимости (рис. 3). Тогда электрический ток в веществе станет возможным, причем сразу по двум «каналам».

Во-первых, в зоне проводимости электроны, приобретая энергию в электрическом поле, переходят на более высокие энергетические уровни. Во-вторых, вклад в электрический ток дают… пустые уровни, оставленные в валентной зоне электронами, ушедшими в зону проводимости. Действительно, принцип Паули разрешает любому электрону занять освободившийся уровень в валентной зоне. Но, заняв этот уровень, он оставляет свободным свой собственный уровень и т. д. Если следить не за движением электронов по уровням в валентной зоне, а за движением самих пустых уровней, то оказывается, что эти уровни, имеющие научное название дырки , тоже становятся носителями тока. Число дырок, очевидно, равно числу электронов, ушедших в зону проводимости (так называемых электронов проводимости ), но дырки обладают положительным зарядом, потому что дырка – это отсутствующий электрон.

Таким образом, в полупроводнике электрический ток – это ток электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Такая проводимость полупроводника называется собственной .

Электроны и дырки при движении по кристаллу взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, теряя при этом свою энергию. С этими потерями связано электрическое сопротивление вещества. При увеличении температуры потери энергии возрастают, так что сопротивление полупроводника должно было бы с ростом температуры тоже увеличиваться. Но при повышении температуры растет число электронов , переходящих в зону проводимости, а следовательно, и число дырок r валентной зоне. Это значит, что растет (и очень быстро) общее число носителей тока. Из-за этого сопротивление полупроводника с повышением температуры не растет, а падает. Полупроводник и можно определить как вещество, практически не проводящее ток при абсолютном нуле температур, но сопротивление которого с ростом температуры резко падает .

В природе, однако, полупроводников с собственной проводимостью не существует: в них всегда имеются примеси других веществ, которые и определяют их электрические свойства. Наличие примесей приводит к тому, что в запрещенной зоне полупроводника появляются дополнительные энергетические уровни, с которых или на которые тоже возможны электронные переходы. Широкое применение полупроводников в технике стало возможным только после того, как технологи научились управлять содержанием примесей в полупроводниках и по своему усмотрению делать их проводимость (примесную проводимость ) почти чисто электронной или чисто дырочной.

Оказывается, можно подобрать такие примеси, атомы которых легко отдают электроны. Освободившиеся при этом дополнительные уровни энергии располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника вблизи ее верхнего края (рис. 4, а). Такие примеси называются донорными примесями , а уровни – донорными уровнями. Из рисунка 4, а видно, что при одной и той же температуре электронам с таких уровней гораздо легче перейти в зону проводимости, чем электронам из валентной зоны, поэтому примесные уровни и станут основными поставщиками электронов в зону проводимости. Но при этом в валентной зоне дырок появляться не будет, и проводимость полупроводника станет почти чисто электронной. Такие полупроводники называются полупроводниками n -типа.

Существуют и такие примеси, атомы которых легко присоединяют к себе электроны (акцепторные примеси ). Дополнительные уровни их электронов (акцепторные уровни) тоже располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника, но вблизи ее дна (рис. 4, б). В этом случае электронам из валентной зоны легче перейти на акцепторные уровни примеси, чем в зону проводимости. Тогда в валентной зоне появятся дырки без того, чтобы в зоне проводимости появились электроны. Получится полупроводник с почти чисто дырочной проводимостью, или полупроводник p -типа.

Электроны в металлах окончательно «забывают» свое атомное происхождение, их уровни образуют одну очень широкую зону. Она всегда заполнена лишь частично (число электронов меньше числа уровней) и потому может называться зоной проводимости (рис. 6). Ясно, что в металлах ток может течь и при нулевой температуре . Более того, с помощью квантовой механики можно доказать, что в идеальном металле (решетка которого не имеет дефектов) при T = 0 ток должен течь без сопротивления !

К сожалению, идеальных кристаллов не бывает, а нулевой температуры достичь невозможно. В действительности электроны теряют энергию, взаимодействуя с колеблющимися атомами решетки, так что сопротивление реального металла растет с температурой (в отличие от сопротивления полупроводника). Но самое главное – это то, что при любой температуре электропроводность металла значительно выше электропроводности полупроводника потому, что в металле гораздо больше электронов, способных проводить электрический ток.

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu 2 O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие полиацетилен (СН) n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd 1-x Mn x Te) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO 3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La 2 CuO 4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La 1-x Sr x) 2 CuO 4 .

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10 -4 до 10 7 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника – от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней – свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01-3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом – участком запрещённых энергий электронов.

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно – энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости. Примесные полупроводники – это проводники, обладающие примесной проводимостью.

Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут – это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь – основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий – акцепторные примеси для кремния.

Характеристики полупроводника находятся в зависимости от дефектов его кристаллической структуры. Это является причиной необходимости выращивания предельно чистых кристаллов. Параметрами проводимости полупроводника управляют путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируют фосфором (элемент V подгруппы), который является донором, чтобы создать кристалл кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в кремний вводят акцептор бор. Полупроводники с компенсированным уровнем Ферми для перемещения его в середину запрещённой зоны создают подобным образом.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа – фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва – dE = 5,47 эВ.

Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме – в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.

Германий – полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.

Селен – полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3-4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути – полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2- 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1-7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Рост энергии сцепления кристалла по причине кулоновского межионного взаимодействия способствует структурированию атомов с шестикратной, а не квадратичной координацией. Соединения 4-6 групп – сульфид и теллурид свинца, сульфид олова – также полупроводники. Степень ионности данных веществ тоже содействует образованию шестикратной координации. Значительная ионность не препятствует наличию у них очень узких запрещённых зон, что позволяет использовать их для приёма ИК-излучения. Нитрид галлия – соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

GaAs, арсенид галлия – второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.

ZnS, сульфид цинка – цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.

SnS, сульфид олова – полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа – оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La 2 CuO 4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La 2 CuO 4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa 2 Cu 3 O 8 . При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов – интеркаляцией.

MoS 2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (CH 2) n , антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида -С=С-С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки – тоже полупроводниками.

Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С 60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.

Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью

Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа – сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd 1-x- Mn x Te. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники – это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn 0,7 Ca 0,3 O 3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики

Этот тип кристаллов отличается наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Например, такими свойствами обладают полупроводники титанат свинца PbTiO 3 , титанат бария BaTiO 3 , теллурид германия GeTe, теллурид олова SnTe, которые при низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в нелинейно-оптических, запоминающих устройствах и пьезодатчиках.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-5 2 (AgGaS 2) и 2-4-5 2 (ZnSiP 2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3-5 и 2-6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As 2 Se 3), – полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

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

Определение

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

Металлы — это твердые тела, которые имеют определенную структуру.

Сравнение

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

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

Выводы сайт

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

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны. При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд. Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

  1. Полупроводники.

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью . Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

  • Золото.
  • Серебро.
  • Медь.
  • Алюминий.
  • Железо.

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.

Свойства диэлектриков

Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов , способных переносить заряде под действием электрического поля. В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток. Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства. Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.

Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.

Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.

Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?

Диэлектрик
Наличие свободных электроновПрисутствуют в большом количествеОтсутствуют, или присутствуют, но очень мало
Способность материалов проводить электрический токХорошо проводитНе проводит, или ток незначительно мал
Что происходит при увеличении приложенного напряжениеТок, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону ОмаТок, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой
МатериалыЗолото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другиеЭбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы
Сопротивлениеот 10 -5 до 10 -8 степени Ом/м10 10 – 10 16 Ом/м
Влияние посторонних примесей на сопротивление материалаПримеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойстваПримеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства
Изменение свойств при изменении температуры окружающей средыПри увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается. При очень низких температурах – сверхпроводимость.При увеличении температуры – сопротивление уменьшается.

Разница между полупроводником и сверхпроводником | Сравните разницу между похожими терминами – Наука

В ключевое отличие между полупроводником и сверхпроводником заключается в том, что Полупроводники имеют электрическую проводимость, которая находится между проводимостью проводника и изолятора, тогда как сверхпроводники имеют электрическую проводимость, которая выше, чем у проводника..

Электрический проводник – это вещество, которое позволяет электрическому току проходить через него. Полупроводники и сверхпроводники – это два типа электрических проводников. Они отличаются друг от друга по своей проводимости.

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое полупроводник
3. Что такое сверхпроводник
4. Параллельное сравнение – полупроводник и сверхпроводник в табличной форме
5. Резюме

Что такое полупроводник?

Полупроводник – это тип проводника, значение проводимости которого находится между значениями изолятора и проводника. Это значит; электропроводность полупроводника умеренная по сравнению с проводником. Обычно это кристаллические твердые тела, которые находят применение в различных областях, таких как производство диодов, транзисторов, интегральных схем и т. Д. Как правило, проводимость полупроводника чувствительна к температурному освещению, магнитным полям, примесям в полупроводниковом материале и т. Д.

Есть элементарные полупроводники, которые мы можем наблюдать в периодической таблице. Эти элементы включают кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), селен (Se) и теллур (Te). Более того, могут быть разные полупроводники, содержащие в комбинации два или более химических элемента. Например, арсенид галлия содержит галлий и мышьяк. Однако чистый кремний является наиболее распространенным полупроводником в электротехнической промышленности и наиболее важным элементом для производства интегральных схем.

Обычно полупроводники представляют собой монокристаллы. Их атомы расположены в трехмерной структуре. При рассмотрении кристалла кремния каждый атом кремния окружен четырьмя другими атомами кремния. Эти атомы имеют ковалентные химические связи между собой. Энергетическая щель между зоной проводимости и валентной зоной кристалла кремния называется запрещенной зоной. Для полупроводников ширина запрещенной зоны обычно составляет от 0,25 до 2,5 эВ.


Что такое сверхпроводник?

Сверхпроводники – это материалы, у которых значение электропроводности выше значения проводимости проводника. Это может быть химический элемент или соединение, которое резко теряет свое электрическое сопротивление при охлаждении ниже определенной температуры. Следовательно, сверхпроводник позволяет передавать электрическую энергию без потерь энергии. Этот поток энергии называется сверхтоком. Однако производить сверхпроводники очень сложно. Температура, при которой эти материалы теряют свое электрическое сопротивление, называется критической температурой или Tc. Все известные нам материалы не могут превратиться в сверхпроводники ниже этой температуры. Материалы, имеющие собственную Tc, могут превращаться в сверхпроводники.

Есть два типа сверхпроводников: тип I и тип II. Сверхпроводящие материалы типа I являются проводниками при комнатной температуре и становятся сверхпроводниками при охлаждении ниже их Tc. Материалы типа II не являются хорошими проводниками при комнатной температуре. При охлаждении они постепенно превращаются в сверхпроводники. Ширина запрещенной зоны сверхпроводников обычно превышает 2,5 эВ.


В чем разница между полупроводником и сверхпроводником?

Ключевое различие между полупроводником и сверхпроводником заключается в том, что полупроводники имеют электрическую проводимость, которая находится между проводимостью проводника и изолятора, тогда как сверхпроводники имеют электрическую проводимость выше, чем проводимость. Кроме того, ширина запрещенной зоны полупроводника составляет от 0,25 до 2,5 эВ, а ширина запрещенной зоны сверхпроводника превышает 2,5 эВ.

Ниже приводится краткое описание различий между полупроводником и сверхпроводником.

Резюме – Полупроводник против сверхпроводника

Полупроводники и сверхпроводники – это два типа электрических проводников. Они отличаются друг от друга по своей проводимости. Ключевое различие между полупроводником и сверхпроводником заключается в том, что полупроводники имеют электрическую проводимость, которая находится между проводимостью проводника и изолятора, тогда как сверхпроводники имеют электрическую проводимость, которая выше, чем у проводника.

Электрический ток в проводниках и полупроводниках реферат по физике

Владимирский промышленно-коммерческий лицей Реферат Тема: Электрический ток в проводниках и полупроводниках Выполнил: Сазанов Сергей 11 “Б” класс г. Владимир, 2000 г. Содержание: Введение Стр. 3 Электрическая проводимость различных веществ Стр. 3 Электронная проводимость металлов Стр. 3 Зависимость сопротивления проводника от температуры Стр. 5 Сверхпроводимость Стр. 6 Электроический ток в полупроводниках Стр. 7 Список литературы Стр. 9 I. Введение Слово «ток» означает движение или течение чего-то. Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нем электрическое поле. Чтобы электрический ток в проводнике существовал длительное время, необходимо все это время поддерживать в нем электрическое поле. Электрическое поле в проводниках создается и может длительное время поддерживаться источниками электрического тока. В настоящее время человечество использует четыре основные источника тока: статический, химический, механический и полупроводниковый, но во всяком из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Раздельные частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой – отрицательно. II. Электрическая проводимость различных веществ Наряду с металлами хорошими проводниками, т.е. веществами с большим количеством свободных заряженных частиц, являются водные растворы или расплавы электролитов и ионизированный газ – плазма. Эти проводники также широко используются в технике. Кроме проводников и диэлектриков, имеется группа веществ, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества не 2 резко падает до нуля (рис. 2). Это явление было названо сверхпроводимостью. Позже было открыто много других сверхпроводников. Сверхпроводимость наблюдается при очень низких температурах – около . Если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем устранить источник электрического тока, то сила этого тока не меняется сколь угодно долго. В обычном же не сверхпроводящем проводнике электрический ток прекращается. Сверхпроводники находят широкое применение. Так, сооружают мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, которые создают магнитное поле на протяжении длительных интервалов времени без затрат энергии. Ведь выделения теплоты в сверхпроводящей обмотке не происходит. Однако получить сколь угодно сильное магнитное поле с помощью сверхпроводящего магнита нельзя. Очень сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Такое поле может быть создано током в самом сверхпроводнике. Поэтому для каждого проводника в сверхпроводящем состоянии существует критическое значение силы тока, превзойти которое, не нарушая этого состояния, нельзя. Если бы удалось создать сверхпроводящие материалы при температурах, близких к комнатным, то была бы решена проблема передачи энергии по проводам без потерь. В настоящее время физики работают над ее решением. Многие металлы и сплавы при температурах ниже полностью теряют сопротивление, т.е. становятся сверхпроводниками. Недавно была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. VI. Электрический ток в полупроводниках Наиболее отчетливо полупроводники отличаются от проводников характеров зависимости электропроводимости от температуры. Измерения показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS и др.) удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов, а, наоборот, чрезвычайно резко уменьшается (рис. 3). Такие вещества и называют полупроводниками. Строение полупроводников. Для того чтобы включить транзисторный приемник, знать ничего не надо. Но чтобы его создать, надо было знать очень много и обладать незаурядным талантом. Понять же в общих чертах, как работает транзистор, не так уж и трудно. Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого придется вникнуть в природу связей, удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния. Кремний – четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Плоская схема структуры кристалла кремния изображена на рисунке 4. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляют от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между 5 соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к электрической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметное влияние на их движение. Аналогичное строение имеет кристалл германия. Электронная проводимость. При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток (рис. 5). Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700К число свободных электронов увеличивается от 1017 до 1024 1/м3. Это приводит к уменьшению сопротивления. Дырочная проводимость. При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеются избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу. Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью. Мы рассмотрели механизм проводимости идеальных полупроводников. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. Проводимость чистых полупроводников (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парноэлектронных связей (дырочная проводимость). 6 Список литературы 1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев: «Физика 10 кл.», Просвещение, М. 1990 г. 7

Собственная и примесная проводимости полупроводников. Собственная проводимость полупроводников Как образуется собственная проводимость полупроводников

Сегодня мы расскажем, что такое собственная и примесная проводимость полупроводников, как она возникает и какую роль играет в современной жизни.

Атом и зонная теория

В начале двадцатого века ученые выяснили, что атом – это не самая маленькая частица вещества. Он имеет свою сложную структуру, а его элементы взаимодействуют по особенным законам.

К примеру, выяснилось, что электроны могут находиться только на определенных расстояниях до ядра – орбиталях. Переходы между этими состояниями происходят рывком с выделением или поглощением кванта электромагнитного поля. Чтобы объяснить механизм собственной и примесной проводимости полупроводников, надо сначала разобраться со строением атома.

Размеры и формы орбиталей определяются волновыми свойствами электрона. Как и волна, эта частица имеет период, и когда вращается вокруг ядра, он «накладывается» сам на себя. Только там, где волна не подавляет собственную энергию, электрон может существовать длительное время. Отсюда вытекает следствие: чем дальше от ядра находится уровень, тем меньше расстояние между этой и предыдущей орбиталью.

Решетка в твердом теле

Собственную и примесную проводимость полупроводников физика объясняет «коллективом» одинаковых орбиталей, который возникает в твердом теле. Под твердым телом подразумевается не агрегатное состояние, а совершенно конкретный термин. Так называется вещество с кристаллическим строением или аморфное тело, которое потенциально может быть кристаллическим. Например, лед и мрамор – это твердое тело, а дерево и глина – нет.

В кристалле существует очень много похожих атомов, и вокруг каждого вращаются одинаковые электроны на тех же орбиталях. И здесь есть небольшая проблема. Электрон относится к классу фермионов. Это значит, что двух частиц в совершенно одинаковых состояниях быть не может. И что делать в этом случае твердому телу?

Природа нашла потрясающий по простоте выход: все электроны, которые принадлежат одной орбитали одного атома в кристалле, чуть-чуть отличаются по энергии. Разница эта невероятно маленькая, и все орбитали как бы «спрессовываются» в одну непрерывную энергетическую зону. Между зонами лежат большие провалы – такие места, где электроны не могут находиться. Эти пробелы называются «запрещенными».

Чем полупроводник отличается от проводника и диэлектрика?

Среди всех зон одного твердого тела выделяются две. В одной (самой верхней) электроны могут свободно двигаться, они не «привязаны» к своим атомам и переходят с места на место. Это называется зоной проводимости. В металлах такая область напрямую соприкасается со всеми остальными, и чтобы возбудить электроны, не требуется затрачивать большую энергию.

Но у других веществ все иначе: электроны располагаются в валентной зоне. Там они связаны со своими атомами и не могут просто так покинуть их. Валентная зона отделяется от зоны проводимости «провалом». Чтобы электроны могли преодолеть запрещенную зону, веществу надо сообщить определенную энергию. Диэлектрики отличаются от полупроводников только размером «провала». У первых он больше, чем 3 эВ. Но в среднем у полупроводников ширина запрещенной зоны составляет от 1 до 2 эВ. Если разрыв больше, то вещество называется широкозонным полупроводником и используется с осторожностью.

Виды проводимости полупроводников

Чтобы понять, каковы особенности собственной и примесной проводимости полупроводников, надо сначала узнать, какие бывают ее виды.

Мы уже рассказали, что полупроводник – это кристалл. Значит, его решетка состоит из периодических одинаковых элементов. И его электроны надо «забросить» в зону проводимости, чтобы по веществу потек ток. Если по объему кристалла движутся именно электроны – это электронная проводимость. Она обозначается как n-проводимость (от первой буквы английского слова negative, то есть «отрицательный»). Но бывает и иной тип.

Представьте, что в некой периодической системе один элемент отсутствует. Например, лежат в корзине теннисные мячики. Они расположены ровными одинаковыми слоями: в каждом равное количество шаров. Если один мяч вынуть, в конструкции образуется пустота, дыра. Все окружающие шары постараются заполнить пробел: один элемент из верхнего слоя ляжет на место недостающего. И так далее, пока не установится равновесие. Но при этом и дыра будет тоже двигаться – в противоположном направлении, вверх. И если первоначально поверхность шаров в корзине была ровной, то после перемещений в верхнем ряду образуется дырка на месте одного недостающего мяча.

Так же и с электронами в полупроводниках: если электроны движутся к положительному полюсу напряжения, то оставшиеся на их месте пустоты движутся к отрицательному полюсу. Эти противоположные квазичастицы называются «дырки», и они имеют положительный заряд.

Если в полупроводнике преобладают дырки, то механизм называется p-проводимостью (от первой буквы английского слова positive, то есть «положительный»).

Примесь: случайность или стремление?

Когда человек слышит слово «примесь», то чаще всего подразумевается что-то нежелательное. Например, «примесь токсических веществ в воде», «примесь горечи в радости триумфа». Но примесь – это еще и что-то маленькое, незначительное.

В данное слово имеет скорее второй смысл, чем первый. Чтобы усилить один из типов проводимости, в кристалл можно ввести атом, который отдаст электроны (донор), либо заберет их (акцептор). Порой требуется незначительное количество чужеродного вещества, чтобы увеличить какой-то вид тока.

Таким образом, собственная и примесная проводимость полупроводников – это похожие явления. Добавка только усиливает уже существующее качество кристалла.

Применение легированных полупроводников

Вид проводимости для кристаллов важен, но на практике используют их комбинацию.

В месте соединения полупроводников n- и p-типа создается прослойка из положительных и отрицательных частиц. Если ток подключить правильно, то заряды скомпенсируют друг друга, и в цепи пойдет электричество. Если полюса подключить в обратном направлении, то разнозаряженные частицы «запрут» друг друга на своей половине, и в системе тока не будет.

Таким образом, маленький кусочек легированного кремния способен стать диодом для выпрямления электрического тока.

Как мы показали выше, ключевую роль играет в полупроводнике собственная и примесная проводимость. Полупроводниковые приборы стали намного меньше в размерах, чем ламповые устройства. Этот технологический прорыв позволил совершить многое из того, что ученые предсказали теоретически, но нельзя было до поры до времени осуществить на практике из-за больших размеров оборудования.

Кремний и космос

Полет в космос стал одной из важнейших возможностей, доступных благодаря полупроводникам. До шестидесятых годов двадцатого века это было неосуществимо по той простой причине, что управление ракеты содержалось в невероятно тяжелых и хрупких ламповых приборах. Ни один способ не мог поднять такую махину без вибраций и нагрузок. А открытие кремниевой и германиевой проводимости дало возможность уменьшить вес управляющих элементов и сделать их более цельными и прочными.

Полупроводники́ – материалы, по своей удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. В природе они существуют в виде элементов(4,5,6 групп), например, Si, Ge, As, Se, и химических соединений сульфидов, оксидов и т.д.

Различают собственные (чистые) и примесные полупроводники.

При нагревании до температуры Т >0 К, а также освещении или облучении электронные (ковалентные) связи могут разрываться что приводит к образованию свободных электронов.В месте разрыва ковалентной связи возникает вакантное для электрона место – дырка, которая соответствует положительному заряду. Дырку могут занять либо электроны соседних ковалентных связей, либо свободный электрон. Вследствие этого она начинает перемещаться по кристаллу. С увеличением температуры возрастает число свободных электронов (больше разрывается связей) и соответственно дырок.

При создании в таком полупроводнике электрического поля включением его в электрическую проводящую цепь возникнет направленное перемещение электронов и дырок, то есть пойдет электрический ток.

Таким образом, в чистых полупроводниках при обычных условиях всегда есть равное число свободных электронов и дырок, которые и обусловливают собственную электропроводность полупроводника. Собственная проводимость – проводимость собственных(чистых) полупроводников(Ge, Se, GaAs).

С точки зрения квантовой (зонной) теории полупроводники имеют, кроме валентной зоны (I) и зоны проводимости (3). запрещенную зону (2), значения энергии которой электроны иметь не могут.

При T = 0 К валентная зона полностью заполнена электронами и, ширина запрещенной зоны, невелика, энергетические уровни зоны проводимости свободны. Если электроны получают энергию при нагревании полупроводника или энергию электромагнитного поля, при облучении светом или радиоактивными излучениями, то электроны способны перейти в зону проводимости (рис 3) становясь свободными. При этом в валентной зоне возникают дырки Полупроводник способен проводить ток, носителями которою будут электроны и дырки. Противоречий между классическими представлениями и квантовыми нет.

Итак, ток собственной проводимости полупроводника складывается из тока электронов и дырок.

Примесная проводимость полупроводников

В зависимости от природы примеси примесная проводимость может быть двух типов: n-типа – электронная, р-типа – дырочная. Проводимость n-типа образуется в случае, когда к основному полупроводнику (например, кремнию) прибавляется небольшое количество примеси, имеющей большую валентность (например, мышьяк). Тогда при построении кристаллической решетки у атома примеси будет лишний электрон. К электронам собственной проводимости добавятся электроны примеси. Но этой причине концентрация электронов будет значительно больше, чем дырок. Основными носителями тока будут электроны (их много), а неосновными – дырки (их мало). Такая проводимость примесного полупроводника получила название n-типа (электронная), так как примесь является донором (поставщиком) электронов. В случае, когда примесь имеет меньшую валентность, чем основной полупроводник (например, кремний Si) с бором B , то при построении решетки у атомов бора не будет хватать одного электрона. Появится незаполненная связь дырка. В примесном полупроводнике концентрация дырок будет значительно больше, чем электронов. Такой тип примесной проводимости назвали p-типом (дырочная) , так как примесь является собирателем (акцептором) электронов. Наличие даже небольшого количества примеси увеличивает проводимость полупроводника в миллионы раз, поэтому ток в примесном полупроводнике образуется в основном либо электронами, либо дырками.

Квантовая теория объясняет образование примесных полупроводников различными положениями энергетических уровней доноров и акцепторов (примесей) по отношению к валентной зоне (1) проводимости (3) в кристалле полупроводника. Энергетические уровни донора близки к уровням зоны проводимости. Электроны легко переходят в неё, не образуя в валентной зоне дырок. Основными носителями будут электроны(n-тип). Энергетические уровни акцептора лежат, ближе к валентной зоне, поэтому электронам валентной зоны легко перейти из нее, образуя в ней дырки. Основными носителями будут дырки (проводимость р-типа).

Полупровдниковые диоды

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение U з

n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p- и n- типов

Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами . Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.

Электропроводность п-р -перехода сильно зависит от температуры, поэтому обратный ток с повышением температуры увеличивается:

Таким образом, n-p переход обладает односторонней электропроводностью. Это его основное свойство, которое положено в основу устройства и принципа действия полупроводниковою диода.

Диод представляет собой электронно-дырочный переход, защищенный от действия света и электромагнитных излучений металлическим кожухом и имеющий радиатор для температурной стабилизации.

Плюсы: высокий кпд(98%), длительный срок службы, прочность.

Минусы: зависимость от температуры.

Собственная проводимость полупроводников – это электропроводность идеально чистого материала. В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводника. Электропроводность чистого полупроводника будет тем большей, чем больше концентрация свободных носителей электрического заряда – электронов и дырок – n i , которая сильно зависит от температуры. Это является причиной температурной зависимости электропроводности чистых полупроводников.

Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей, которые разделяются на два типа: донорные и акцепторные. Ничтожного количества примеси в чистый полупроводник достаточно для изменения его электропроводности на несколько порядков. Это обусловлено тем, что примесные атомы в составе кристаллической решетки полупроводника могут либо поставлять в нее электроны проводимости, либо поглощать валентные электроны полупроводника, увеличивая тем самым концентрацию дырок.

Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными. Полупроводниковые материалы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а дырки не основными, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Примеси, захватывающие валентные электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными. Полупроводники, в которых концентрация дырок значительно превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа. Для примесных полупроводников справедлива т.н. “формула полупроводника”:

где n и p – соответственно концентрации свободных электронов и дырок, n i – концентрация свободных носителей чистого полупроводника. Таким образом, увеличение за счет донорной примеси концентрации свободных электронов будет приводить к уменьшению концентрации дырок, а увеличение концентрации дырок, путем введения акцепторной примеси, – к уменьшению концентрации свободных электронов. Это обстоятельство позволяет изменять тип электропроводности полупроводника, подавляя имеющуюся примесь большим количеством противоположной, что широко используется при создании полупроводниковых приборов. Возможности изменения типа электропроводности, однако, ограничены предельными концентрациями растворимости примесей в полупроводнике.

Собственные и примесные полупроводники

Собственными полупроводниками или полупроводниками типа i (от английского intrinsic – собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей. Примесными полупроводниками называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на: электронные и дырочные.

2.1.4.1 Собственный полупроводник

Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической решетки.

В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями (рис. 2.1), в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов. При температуре абсолютного нуля (T=0° K) все валентные электроны находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник подобен диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией валентный электрон может выйти из ковалентной связи и стать свободным носителем электрического заряда (рис. 2.2). При этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится к другой паре атомов. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято называть дыркой.

Процесс возникновения свободных электронов и дырок, обусловленный разрывом ковалентных связей, называется генерацией носителей заряда. Его характеризуют скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, возникающих в единицу времени в единице объема. Скорость генерации тем больше, чем выше температура и чем меньше энергия, затрачиваемая на разрыв ковалентных связей. Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда и характеризуется скоростью рекомбинации R, которая определяет количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени в единице объема. Произведение скорости генерации на время жизни носителей заряда определяет их концентрацию, то есть количество электронов и дырок в единице объема. При неизменной температуре генерационно-рекомбинационные процессы находятся в динамическом равновесии, то есть в единицу времени рождается и исчезает одинаковое количество носителей заряда (R=G). Это условие называется законом равновесия масс. Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным; в этом состоянии в собственном полупроводнике устанавливаются равновесные концентрации электронов и дырок, обозначаемые n i и p i . Поскольку электроны и дырки генерируются парами, то выполняется условие: n i =p i. При этом полупроводник остается электрически нейтральным, т.к. суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется суммарным положительным зарядом дырок. Это условие называется законом нейтральности заряда. При комнатной температуре в кремнии n i =p i =1,4·10 10 см 3 , а в германии n i =p i =2,5·10 13 см 3 . Различие в концентрациях объясняется тем, что для разрыва ковалентных связей в кремнии требуются большие затраты энергии, чем в германии. С ростом температуры концентрации электронов и дырок возрастают по экспоненциальному закону.

2.1.4.2 Электронный полупроводник

Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латинского negative – отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 2.3) помимо основных (четырехвалентных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый (“лишний”) электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки. Однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов. Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается nn, а концентрация дырок – pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

2.1.4.3 Дырочный полупроводник


Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латинского positive – положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рисунок 2.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается p p , они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается n p , они являются неосновными носителями заряда.

Полупроводниками являются твердые тела, которые при абсолютном нуле температур характеризуются полностью занятой электронами валентной зоной, отделенной от зоны проводимости сравнительно узкой (DW 1эв) запрещенной зоной.

Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью.

Типичными, наиболее широко распространенными собственными полупроводниками являются химические элементы германий и кремний. Внешние оболочки их атомов содержат по 4 валентных электрона, которые связаны с валентными электронами соседних атомов ковалентными связями.

Упрощенная плоская схема расположения атомов в кристалле германия дана на рис. 3, где каждая черточка означает связь, осуществляемую одним электроном. В идеальном кристалле при нуле Кельвина такая структура ведет себя как диэлектрик, так как все валентные электроны участвуют в образовании связей, и, следовательно, не участвуют в проводимости.

При повышении температуры тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего часть электронов отщепляется и они становятся свободными. В покинутом электроном месте возникает вакансия – дырка, заполнить которую могут электроны из соседней пары. В результате дырка, как и освободившийся электрон, будет перемещаться по кристаллу. Движение электронов проводимости и дырок в отсутствии электрического поля является хаотическим. Если же кристалл поместить в электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки – по полю, что приведет к собственной проводимости германия, обусловленной как электронами, так и дырками.

Согласно зонной теории, энергия DW, необходимая для перехода электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости, называется энергией активации (рис. 4).

Переход электронов из заполненной валентной зоны в свободную зону создает в валентной зоне вакантные состояния – дырки (отмечены кружками на рис. 4). Такая дырка ведёт себя подобно частице с элементарным положительным зарядом. Под действием внешнего электрического поля одновременно с перемещением электронов вверх по энергетическим уровням зоны проводимости происходит заполнение вакантных состояний в валентной зоне электронами с нижележащих уровней этой зоны, эквивалентное перемещение положительных дырок вниз.

Таким образом, в полупроводниках можно говорить об электронном и дырочном типах проводимости, хотя оба они являются следствием перемещения электронов.

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная движением электронов, называется электронной проводимостью или проводимостью п– типа (от лат. negativus – отрицательный).

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами – дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р –типа (от лат. рositivus – положительный).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдается два механизма проводимости – электронный и дырочный. При этом число электронов проводимости равно числу дырок в данном полупроводнике.

Проводимость химически чистых полупроводников, обусловленная наличием в них электронов и дырок, называется собственной проводимостью, а сами полупроводники – собственными полупроводниками.

С повышением температуры количество электронов, преодолевших за счет энергии теплового движения запрещенную зону, растет, соответственно увеличивается и число дырок. Следовательно, с ростом температуры собственная проводимость полупроводников увеличивается, а сопротивление уменьшается по экспоненциальному закону:

где – удельная проводимость, – некоторая константа, постоянная для данного полупроводника, – энергия активации, равная ширине запретной зоны и различная для разных полупроводников, k=1,38×10 -23 – постоянная Больцмана.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры используется в высокоточных приборах для измерения температуры – термисторах. Термисторы широко применяются для измерения температуры газов и жидкостей, для быстрой сигнализации о перегреве отдельных частей агрегатов, недостаточной смазке и т. д.

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники – примесными полупроводниками.

Необходимо различать донорные и акцепторные примеси. Примеси, у которых валентных электронов на единицу больше, чем у атомов основного вещества, называются донорными.

Рассмотрим механизм донорной примесной проводимости на примере германия. При замещении атома германия атомом, валентность которого на единицу больше, например, пятивалентным атомом мышьяка , один из электронов атома мышьяка не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и при тепловых колебаниях решетки может быть легко отщеплен от атома, т. е. стать свободным. При наложении электрического поля такие электроны начинают перемещаться по кристаллу, создавая электрический ток (рис. 5). С точки зрения зонной теории, рассмотренный процесс можно представить следующим образом. Введение донорной примеси искажает поле решетки и приводит к появлению дополнительных донорных уровней (рис. 6), которые располагаются в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Эти уровни заняты донорными электронами. При температуре, близкой к абсолютному нулю, энергия теплового движения недостаточна для того, чтобы перевести донорные электроны в зону проводимости, и полупроводник ведет себя как изолятор. При повышении температуры, воздействии света и т. д. электроны переходят с донорных уровней в зону проводимости и, при наличии разности потенциалов, обеспечивают ток.

Проводимость полупроводника, обусловленная наличием в нём электронов донорной примеси, называется электронной, донорной или n -типа, а сам полупроводник – полупроводником n-типа .

Примесь, у атомов которой не хватает достаточного количества электронов, чтобы заместить все валентные связи в решетке основного вещества, называется акцепторной.

При введении в решетку германия примесного атома с тремя валентными электронами, например, бора В , для образования связей с четырьмя ближайшими соседними атомами германия у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома германия, где, соответственно, образуется дырка (рис. 7). Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т. е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке германия как свободные положительные заряды.

При введении в полупроводник акцепторной примеси свободные примесные уровни располагаются в запрещенной зоне вблизи верхней границы валентной зоны (рис. 8). Под действием очень малой энергии теплового возбуждения атом примеси может отнять электрон у одного из своих ближайших соседей. Это означает, что часть электронов из валентной зоны уже при небольших температурах переходит на акцепторные уровни, а в валентной зоне появляются свободные дырки. В этом случае полупроводник приобретает дырочную проводимость или проводимость p -типа.

Для перехода с донорного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторный уровень (рис. 6, 8) требуется меньшая энергия, чем для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому при низких температурах основную роль играет примесная проводимость.

С ростом температуры в электронном полупроводнике, кроме свободных электронов, появляется некоторое количество свободных дырок, а в дырочном полупроводнике появляется некоторое количество свободных электронов. Носители заряда, число которых преобладает в кристалле, называются основными носителями; носители противоположного знака называются неосновными. В полупроводниках с донорной примесью основными носителями являются электроны, неосновными – дырки. В полупроводниках с акцепторной примесью основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Причиной появления неосновных носителей является собственная проводимость.

Введение в кристаллическую решетку полупроводников примесей приводит к появлению в них замечательных и ценных для практического использования свойств: резкого повышение электропроводности, фотопроводности, люминесценции и т. п. Полупроводники используются в электро- и радиотехнической аппаратуре (кристаллические диоды и триоды), служат выпрямителями (селеновые, купроксные). Из полупроводников изготовляют полупроводниковые сопротивления (термисторы, фотосопротивления), источники света (светодиоды, лазеры), источники э.д.с. (солнечные батареи) и др. Полупроводниковые приборы малогабаритны, что является их важным достоинством.

Принцип действия многих полупроводниковых приборов основан на работе р-n– перехода.

1 Полупроводники

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале 10 −8 – 10 −6 Ом · м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на 20 порядков: 10 10 – 10 16 Ом · м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне 10 −3 – 10 7 Ом · м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения. Наиболее широко применяются кремний (Si) и германий (Ge).

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1.

Рис.1 Зависимость ρ = ρ(т) для полупроводников

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой – как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого – различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками.

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе – их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2).

Рис.2 Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь – это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник – кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник – германий. Пространственная структура кремния представлена на рис. 3. Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, – это каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3 Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен – на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома, оказывается, по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4).

Рис.4 Кристаллическая решетка кремния

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем – к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла – они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам – они не проводят электрический ток.

1.3 Собственная проводимость

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) – точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.

Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5. На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка – вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся не скомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Рис.5 Образование свободных электронов и дырок

Дырки не остаются на месте – они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.

На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле E. В левой части рисунка – начальное положение дырки.

Рис. 6 Движение дырки в электрическом поле

Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон → дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля – то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля E , а дырки – в направлении вектора E.

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью, или проводимостью p-типа34. Обе проводимости – электронная и дырочная – вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.

Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие: среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно 10 10 см−3 . Концентрация же атомов кремния – порядка 10 22 см−3 . Иными словами, на 10 12 атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.

1.4 Примесная проводимость

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.

Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка (As). После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями – атомами кремния (рис. 7). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

Рис. 7 Полупроводник n — типа

А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.

Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки. Почему? Причина та же – связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк – донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными – дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет 0,1 %, то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка 10 22 см−3 .

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: 10 19 см−3. Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью – ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна 10 10 см−3 . Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на 9 порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь – например, индий (In). Результат такого внедрения показан на рис. 8.

Рис.8 Полупроводник p — типа

Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.

И дырка эта не простая, а особенная – с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико – больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка – но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.

Итак, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными. Трёхвалентный индий – пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью – это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).

Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки – основные носители заряда. Свободные электроны – неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики. Большая энциклопедия нефти и газа

При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые , а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:

  • проводники;
  • полупроводники;
  • диэлектрики;

Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.

Проводники

Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.

Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.

Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.

Полупроводники

Полупроводники , что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: , светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.

К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, графен, индий и т. д.

Диэлектрики

Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики , вещества не способные проводить электрический ток. К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д. Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.

Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R , единица измерения [ Ом ] и проводимость , величина обратная сопротивлению . Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом. У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.

Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.

Каждый человек, постоянно пользуясь электроприборами, сталкивается с со свойствами электропроводности, а именно:

Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики:

1. проводники – которые пропускают электрический ток;

2. диэлектрики – обладают изоляционными свойствами;

3. полупроводники – сочетают в себе характеристики первых двух типов веществ и изменяют их в зависимости от приложенного управляющего сигнала.

К проводникам относят те вещества, которые имеют в своей структуре большое количество свободных, а не связанных электрических зарядов, способных начинать движение под воздействием приложенной внешней силы. Они могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.Самыми отличными проводниками электрического тока являются металлы. Растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных – также хорошие проводники электрических зарядов.

Если взять два проводника, между которыми образована разность потенциалов и подключить внутри них металлическую проволоку, то сквозь нее потечет электрический ток. Его носителями станут свободные электроны, не удерживаемые связями атомов. Они характеризуют величину электрической проводимости или способность любого вещества пропускать через себя электрические заряды – ток.

Значение электрической проводимости обратно пропорционально сопротивлению вещества и измеряется соответствующей единицей: сименсом (См).

1 См=1/1 Ом.

В природе носителями зарядов могут быть:

электроны;

ионы;

дырки.

По этому принципу электропроводность подразделяют на:

электронную;

ионную;

дырочную.

Качество проводника позволяет оценить зависимость протекающего в нем тока от значения приложенного напряжения. Ее принято называть по обозначению единиц измерения этих электрических величин – вольтамперной характеристикой.

Проводники с электронной проводимостью (проводники 1-го рода)

Наиболее распространенным представителем этого типа являются металлы. У них электрический ток создается исключительно за счет перемещения потока электронов.

При прохождении электрического тока через металлические проводники не изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно, атомы металлов не участвуют в переносе электрических зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах показали, что перенос электрических зарядов в них осуществляется только электронами.

Внутри металлов они находятся в двух состояниях:

связанные силами атомного сцепления;

свободные.

Электроны, удерживаемые на орбите силами притяжения ядра атома, как правило, не участвуют в создании электрического тока под действием внешних электродвижущих сил. Иначе ведут себя свободные частицы.

Если к металлическому проводнику не приложена ЭДС, то свободные электроны движутся хаотически, беспорядочно, в любых направлениях. Такое их перемещение обусловлено тепловой энергией. Оно характеризуется различными скоростями и направлениями перемещения каждой частицы в любой момент времени.

Когда к проводнику приложена энергия внешнего поля с напряженностью Е, то на все электроны вместе и каждый в отдельности действует сила, направленная противоположно действующему полю. Она создает строго ориентированное движение электронов, или другим словами – электрический ток.

Вольтамперная характеристика металлов представляет собой прямую линию, укладывающуюся в действие закона Ома для участка и полной цепи.

Кроме чистых металлов электронной проводимостью обладают и другие вещества. К ним относят:

сплавы;

отдельные модификации углерода (графит, уголь).

Все вышеперечисленные вещества, включая металлы, относят к проводникам 1-го рода . У них электропроводность никоим образом не связана с переносом массы вещества за счет прохождения электрического тока, а обусловливается только движением электронов.

Если металлы и сплавы поместить в среду сверхнизких температур, то они переходят в состояние сверхпроводимости.

Проводники с ионной проводимостью (проводники 2-го рода)

К этому классу относятся вещества, у которых электрический ток создается за счет движения зарядов ионами. Они классифицируются как проводники второго рода.

растворы щелочей, кислот солей;

расплавы различных ионных соединений;

различные газы и пары́.

Электрический ток в жидкости

Проводящие электрический ток жидкие среды, в которых происходит электролиз – перенос вещества вместе с зарядами и осаждение его на электродах, принято называть электролитами, а сам процесс – электролизом.

Он происходит под действием внешнего энергетического поля за счет приложения положительного потенциала к электроду-аноду и отрицательного – к катоду.

Ионы внутри жидкостей образуются за счет явления электролитической диссоциации, которая заключается в расщеплении части молекул вещества, обладающих нейтральными свойствами.

Под действием приложенного напряжения к электролиту катионы начинают двигаться строго к катоду, а анионы – к аноду. Таким способом получают химически чистую, без примесей медь, которая выделяется на катоде.

Кроме жидкостей в природе существуют еще твердые электролиты. Их называют суперионными проводниками (супер-иониками), обладающими кристаллической структурой и ионной природой химических связей, обусловливающую высокую электропроводность за счет движения ионов одного типа.

Проводники с дырочной проводимостью

К ним относятся:

германий;

селен;

кремний;

соединения отдельных металлов с теллуром, серой, селеном и некоторыми органическими веществами.

Они получили название полупроводников и относятся к группе №1, то есть не образуют переноса вещества при протекании зарядов. Для увеличения концентрации свободных электронов внутри них необходимо потратить дополнительную энергию на отрыв связанных электронов. Она получила название энергии ионизации.

В составе полупроводника работает электронно-дырочный переход. За счет его полупроводник пропускает ток в одном направлении и блокирует в обратном, когда к нему приложено противоположное внешнее поле.

Структура полупроводника

Проводимость у полупроводников бывает:

1. собственной;

2. примесной.

Первый тип присущ конструкциям, у которых в процессе ионизации атомов своего вещества появляются носители зарядов: дырки и электроны. Их концентрация взаимно уравновешена.

Электроскоп – это простейший прибор для обнаружения электрических зарядов и приблизительного определения их величины.

Простейший школьный электроскоп изображён на рисунке. В нём металлический стержень (3) с листочками (4) пропущен через пластмассовую пробку (5) (втулку), вставленную в металлический корпус (1). Корпус с обеих сторон закрыт стёклами (2).

Если к положительно заряженному электроскопу поднести тело, заряженное таким же знаком, как электроскоп, то его листочки разойдутся сильнее.

Обрати внимание!

Приближая к электроскопу тело, заряженное противоположным по знаку зарядом, заметим, что угол между листочками электроскопа уменьшится.

Таким образом, заряженный электроскоп позволяет обнаружить, каким зарядом наэлектризовано то или иное тело.

По отклонению листочков электроскопа можно определить также, увеличился или уменьшился его заряд. Чем больше угол, на который разойдутся листочки электроскопа при его электризации, тем сильнее он наэлектризован. Значит, тем больший электрический заряд на нём находится.

Существует ещё один вид электроскопа – электрометр .

В нём вместо лепестков на металлическом стержне укреплена стрелочка. Она, заряжаясь от стержня, отталкивается от него на некоторый угол.

По способности передавать электрические заряды вещества делятся на проводники, полупроводники и непроводники электричества.

Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Хорошие проводники электричества – это металлы, почва, вода с растворёнными в ней солями, кислотами или щелочами, графит. Тело человека также проводит электричество. Это можно обнаружить на опыте. Дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Листочки тотчас опустятся. Заряд с электроскопа уходит по нашему телу через пол комнаты в землю.
Из металлов лучшие проводники электричества – серебро, медь, алюминий.

Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Непроводниками электричества, или диэлектриками, являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шёлк, капрон, масла, воздух (газы). Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами.

Полупроводниками называют тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

К полупроводникам относятся кремний, германий, селен и др. У полупроводников способность проводить электрические заряды резко увеличивается при повышении температуры.

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

Что представляют собой проводники?

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

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

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

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

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.

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

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

Что представляют собой диэлектрики?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое полупроводник?

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

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

Полупроводниками являются кремний и германий.

Проводниками электрического тока могут быть совсем разные вещества. Например, и кусок металлической проволоки, и морская вода являются электропроводниками. Но электроток в них различен по своей природе. Поэтому они разделены на две группы:

  • первого рода с проводимостью, основанной на электронах;
  • второго рода с проводимостью, основанной на ионах.

Электропроводники первого рода это все металлы и углерод. Представителями второго рода являются кислоты, щёлочи, растворы и расплавы солей, которые называют «электролитами».

  • Ток в проводниках течёт при любых значениях напряжения и прямо пропорционален величине напряжения.

Наилучшими электропроводниками при обычных условиях являются серебро, золото, медь и алюминий. Медь и алюминий наиболее широко используются для изготовления различных проводов и кабелей из-за более низкой цены. Хорошим жидким проводником первого рода является ртуть. Хорошо проводит электрический ток и углерод. Но из-за отсутствия гибкости его применение невозможно. Однако созданная относительно недавно форма углерода графен позволяет изготавливать нити и шнуры из нитей.

Но графеновые шнуры имеют сопротивление, которое для токопроводов является недопустимо большим. Поэтому их используют в электронагревателях. В этом качестве графеновый шнур превосходит металлические проволочные аналоги на основе сплава никеля и хрома, поскольку может обеспечить более высокую температуру. Аналогичным образом используются проволочные электропроводники из вольфрама. Из них изготовлены спирали ламп накаливания и электроды газоразрядных ламп. Вольфрам является самым тугоплавким электропроводником.

Процессы в проводниках

Электрический ток, протекающий в проводнике, оказывает на него определённые воздействия. В любом случае происходит увеличение температуры. Но возможны также и химические реакции, которые приводят к изменению физических и химических свойств. Наибольшим изменениям подвержены электропроводники второго рода. Электрический ток в них вызывает электрохимическую реакцию, называемую электролизом.

В результате ионы проводника второго рода получают вблизи электрических полюсов необходимые заряды и восстанавливаются до состояния, которое было до появления кислоты, щёлочи или соли. Электролиз широко используется для получения многих чистых химических веществ из природного сырья. Способом электролиза расплавов получают чистый алюминий и некоторые другие металлы.

Проводники первого и второго рода могут не только проводить электрический ток при подаче на них внешнего напряжения. При взаимодействии, например свинца с кислотой, то есть проводника первого рода с проводником второго рода, возникает электрохимическая реакция, обеспечивающая выделение электрической энергии. На этом основано устройство аккумуляторов .

Электропроводники первого рода также могут изменяться при контакте друг с другом. Например, контакт медного и алюминиевого проводника является плохим решением без специального покрытия его. Влажности воздуха оказывается достаточно для разрушения в месте контакта электрохимической реакцией. Поэтому рекомендуется защищать подобные соединения лаком или аналогичными веществами.

У некоторых проводников первого рода при значительном охлаждении возникает особое состояние, пребывая в котором они не оказывают электрическому току сопротивление. Это явление называется сверхпроводимостью. Классическая сверхпроводимость соответствует значению температуры, близкой к состоянию жидкого гелия. Однако по мере выполнения исследований обнаружились новые сверхпроводники с более высокими значениями температуры.

  • Экономически оправданное использование сверхпроводимости является одной из приоритетных целей современной энергетики.

Электрический ток может течь не только в проводниках первого и второго рода. Есть ещё полупроводники и газы, которые так же проводят электроток. Но это уже совсем другая история…

Разница между проводником, полупроводником и изолятором

В чем разница между проводниками, полупроводниками и изоляторами?

Основное различие между проводником, полупроводником и изолятором заключается в его состоянии проводимости. Проводники всегда проводят электрический ток, а изоляторы его не проводят. Однако полупроводник проводит и блокирует в разных условиях.

Что такое проводник ?

В электротехнике и электронике проводник — это тип материала, который позволяет протекать заряду, также известному как электрический ток.Наиболее распространенные электрические проводники изготавливаются из металлов. Такие материалы пропускают ток благодаря наличию свободных электронов или ионов, которые начинают двигаться при приложении напряжения.

Проводники имеют очень низкое электрическое сопротивление, т.е. противодействие протеканию тока, и зависит от длины и ширины проводника. Она увеличивается с повышением температуры.

Что такое полупроводник ?

Полупроводники — это материалы, проводимость которых находится между проводниками и изоляторами.Они могут блокировать или разрешать текущий поток, обеспечивая полный контроль над ним. В основном они модифицируются путем добавления примесей, называемых легированием. Он изменяет свои свойства, такие как однонаправленный ток, усиление или преобразование энергии и т. д.

Электропроводность внутри полупроводников обусловлена ​​движением электронов и дырок.

Что такое изолятор ?

Изолятор — это материал с очень высоким электрическим сопротивлением, который не пропускает ток.В изоляторах нет свободных электронов, поэтому они не проводят электричество. Таким образом, они используются для защиты от ударов.

Различия между проводниками, полупроводниками и изоляторами:
Характеристики Проводник Полупроводник Изолятор
Определение Проводник — это материал, который обеспечивает протекание заряда при приложении напряжения. Полупроводник — это материал, проводимость которого находится между проводником и изолятором Изолятор — это материал, не пропускающий ток.
Зависимость от температуры Сопротивление проводника увеличивается с повышением температуры. Сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры. Таким образом, он действует как изолятор при абсолютном нуле. Изолятор имеет очень высокое сопротивление, но оно все равно уменьшается с температурой.
Проводимость Проводники имеют очень высокую проводимость ( 1 0 -7 Ʊ /m ), поэтому они могут легко проводить электрический ток. Они имеют промежуточную проводимость ( (10 -7 Ʊ/м до 10 -13 Ʊ/м ), таким образом, они могут действовать как изолятор и проводник в различных условиях. Они имеют очень низкую проводимость ( 10 -13 Ʊ/м ) , поэтому они не пропускают ток.
Проводка Проводимость в проводниках обусловлена ​​свободными электронами в металлической связи. Проводимость в полупроводнике обусловлена ​​движением электронов и дырок. Нет ни свободных электронов, ни дырок, следовательно, нет и проводимости.
Ширина запрещенной зоны Между зоной проводимости и валентной зоной проводника отсутствует или имеет небольшую энергетическую щель . Ему не нужна дополнительная энергия для состояния проводимости. Ширина запрещенной зоны полупроводника больше, чем у проводника, но меньше, чем у изолятора, т.е. 1 эВ . Их электронам нужно немного энергии для состояния проводимости. Ширина запрещенной зоны в изоляторе огромна ( +5 эВ ), что требует огромного количества энергии, такой как молния, чтобы вытолкнуть электроны в зону проводимости.
Удельное сопротивление Низкий ( 10 -5 Ом ) Нормальный ( 10 -5 Ом/м от до 10 5 Ом ) Очень высокая ( 10 5 Ом )
Коэффициент удельного сопротивления Имеет положительный коэффициент удельного сопротивления i. е. его сопротивление увеличивается с температурой Имеет отрицательный коэффициент удельного сопротивления. Коэффициент удельного сопротивления изолятора тоже минус но у него очень большое сопротивление.
Абсолютный ноль Некоторые специальные проводники превращаются в сверхпроводники при переохлаждении до абсолютного нуля, а другие имеют конечное сопротивление. Полупроводники превращаются в изолятор при абсолютном нуле. Увеличение сопротивления изолятора при охлаждении до абсолютного нуля.
Валентный электрон во внешней оболочке 1 Валентный электрон во внешней оболочке. 4 Валентный электрон во внешней оболочке. 8 Валентный электрон во внешней оболочке.
Примеры Золото, медь, серебро, алюминий и т. д. Кремний, германий, селен, сурьма , арсенид галлия (известный как полуизолятор), бор и т. д. Резина, стекло, дерево, воздух, слюда, пластик, бумага и т. д.
Заявка Металлы, такие как железо, медь и т. д.которые могут проводить электричество, превращаются в провода и кабели для передачи электрического тока. Полупроводники ежедневно используются в электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, компьютеры, солнечные батареи и т. д., в качестве переключателей, преобразователей энергии, усилителей и т. д. Изоляторы используются для защиты от высокого напряжения и предотвращения короткого замыкания между кабелями в цепях.

Похожие сообщения:

В чем разница между проводником, изолятором и полупроводником?

Основное различие между проводником, изолятором и полупроводником определяется потоком заряженных частиц под действием электрического поля.При приложении к проводнику любого напряжения электрически заряженные частицы легко перетекают из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, проводник является хорошим проводником электричества. Полупроводник позволяет частицам с очень низким зарядом перемещаться из валентной зоны в зону проводимости. В изоляторах нет потока заряженных частиц под действием электрического поля, поэтому изоляторы являются плохим проводником электричества.

Некоторые другие различия между проводником, изолятором и полупроводником объясняются ниже:

Содержание: проводник против изолятора против полупроводника

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия
  4. Заключение

Сравнительная таблица

Основа для сравнения Проводник Изолятор Полупроводник
Определение. Элементы, пропускающие через себя электрический ток при приложении напряжения. Элементы, которые не пропускают электрический заряд. Элементы, проводимость которых находится между изоляторами и проводниками.
Электропроводность. Хороший проводник. Плохой проводник. При 0K работает как изолятор, а при термическом перемешивании или добавлении примесей становится хорошим проводником.
Примеры. Медь, ртуть, серебро, алюминий, вода, кислоты, человеческое тело, металлическая соль, уголь. Дерево, Резина, Стекло, Эбонит, Слюда, Сера, Сухой воздух. Германий, Кремний, Хлопок, Шерсть, Мрамор, Песок, Бумага, Слоновая кость, Влажный воздух.
Энергетическая лента. Зона проводимости и валентная зона перекрывают друг друга. Зона проводимости и валентная зона разделены на 6 эВ. Зона проводимости и валентная зона разделены на 1 эВ.
Температурный коэффициент. Положительная температура Коэффициент сопротивления. Отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
Носители заряда. Электроны. Не содержат носителей заряда. Собственными носителями заряда являются дырки и электроны.
Текущий расход. Течение тока за счет электронов. Ток не течет. Течение тока из-за дырок и электронов.
Количество носителей заряда. Очень высокий. Незначительно. Низкий.
Валентная зона и зона проводимости. Валентная зона и зона проводимости полностью заполнены. Валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости полностью пуста. Валентная зона частично пуста, а зона проводимости частично заполнена.
Влияние температуры на проводимость. Уменьшение проводимости. Повышение проводимости. Повышение проводимости.
При повышении температуры. Количество текущих носителей уменьшается. Количество текущих носителей увеличивается. Количество текущих носителей увеличивается.
Эффект допинга. Сопротивление увеличивается. Сопротивление остается неизменным. Снижение сопротивления.
Течение тока под действием электрического поля. Проходит легко. Не проходит. Очень медленно.
Поведение при абсолютной температуре 0K. Ведет себя как сверхпроводник. Ведет себя как изолятор. Ведет себя как изолятор.
Типы склеивания. Ионная связь. Ионная связь и ковалентная связь. Ковалентная связь.

Определение проводника

Проводники — это материалы, проводящие электричество. В проводниках ионная связь образуется между атомами. Эта ионная связь вызывает легкий поток носителей заряда под действием любого теплового возбуждения. Следовательно, они являются хорошим проводником электричества. Перекрытие валентной зоны и зоны проводимости обеспечивает легкий поток электронов через них. Между валентной зоной и зоной проводимости нет уровня Ферми.Когда приложено небольшое напряжение, в проводнике будет течь большой ток.

Ток течет из-за электронов. Движение электронов в металле называется электрическим током. Проводники имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. Следовательно, при повышении температуры увеличивается удельное сопротивление, что, в свою очередь, снижает проводимость. Удельное сопротивление проводника равно 10 -8 Ом/см.

Примерами проводников являются такие металлы, как железо, алюминий, серебро, золото.

Определение изолятора

Изоляторы — это материалы, которые не пропускают через себя электрический ток. Валентная зона и зона проводимости разделены шириной запрещенной зоны 6 эВ. Таким образом, электроны не перемещаются из валентной зоны в зону проводимости под влиянием какого-либо теплового возбуждения. Связь между атомами представляет собой ковалентную связь и ионную связь. Электрон очень крепко удерживает атом и не пропускает электронов. Температурный коэффициент сопротивления для изоляторов отрицателен.Удельное сопротивление равно 10 12 Ом/см.

Примерами изоляторов являются дерево, резина, пластик.

Определение полупроводника

Полупроводники — это материалы, проводимость которых находится между изоляторами и проводниками. При температуре абсолютного нуля полупроводник ведет себя как изолятор, тогда как при тепловом возбуждении носители заряда начинают перемещаться из валентной зоны в зону проводимости. Валентная зона и зона проводимости разделены шириной запрещенной зоны около 1 эВ.Связь между атомами представляет собой ковалентную связь.

Полупроводник можно классифицировать как собственный и внешний полупроводник. Собственный полупроводник является чистой формой полупроводника. Процесс добавления примесей в собственный полупроводник называется легированием. После легирования собственный полупроводник ведет себя как внешний полупроводник и становится хорошим проводником электричества.

Ток течет из-за движения электронов и дырок. Дырки текут против направления потока электронов.Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Следовательно, удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры, что, в свою очередь, увеличивает проводимость. Удельное сопротивление дается от 10 -4 Ом/см до 10 3 Ом/см.

Примерами полупроводника являются Si, Ge – ширина запрещенной зоны для Si = 0,7 эВ, а для Ge = 1,1 эВ.

Ключевые различия между проводником, изолятором и полупроводником

  • В проводниках валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, поэтому под действием электрического поля носители заряда легко перемещаются в зону проводимости, что приводит к легкому протеканию тока.В изоляторах энергетическая щель очень велика, поток электрического заряда отсутствует, тогда как в полупроводнике валентная зона и зона проводимости разделены очень меньшим количеством эВ, поэтому поток носителей заряда очень меньше, и ток будет очень меньше.
  • Поток носителей заряда определяет материал, если носители заряда легко текут под действием электрического поля, то они называются проводниками, материал, в котором носители заряда не текут легко, то они называются изоляторами, а материал чья проводимость находится между проводником и изолятором, называется полупроводником.
  • В проводниках валентная зона и зона проводимости почти близки друг к другу, поэтому ширина запрещенной зоны Eg=0. В изоляторах ширина запрещенной зоны очень велика, определяемая Eg=6eV, тогда как в полупроводнике уровень Ферми лежит между валентной зоной и зоной проводимости. , валентная зона и зона проводимости разделены энергетической щелью 0,1 эВ.
  • В случае проводников сопротивление зависит от температуры, поэтому удельное сопротивление увеличивается с температурой, следовательно, имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, который обратно пропорционален проводимости, поэтому проводимость уменьшается, в то время как изоляторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, как и изолятор полупроводник также имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления, следовательно, увеличивает проводимость.
  • В проводнике ток течет из-за отрицательно заряженных носителей, называемых электронами. В изоляторе нет потока заряженных частиц, в полупроводнике ток течет из-за движения дырок и электронов, если полупроводник получает энергию либо из-за теплового возбуждения, либо из-за легирования, то электроны могут легко перемещаться из валентной зоны в зону проводимости, которая оставила за вакантным положением в валентной зоне, которое занимает другой электрон, который, в свою очередь, оставляет вакансию, эта вакансия в валентной зоне заряжена положительно и называется дыркой.Направление потока дырок противоположно направлению потока электронов.
  • В проводниках ток течет из-за электронов, поэтому носителей заряда очень много, в изоляторах нет свободных носителей заряда, В полупроводнике количество носителей заряда очень меньше.
  • При нагревании проводника количество носителей заряда уменьшается, в то время как для изолятора и полупроводника количество носителей заряда увеличивается.
  • При добавлении примеси в проводник сопротивление увеличивается, что, в свою очередь, снижает проводимость.В изоляторах нет эффекта добавления к ним примеси, тогда как полупроводник классифицируется как собственный полупроводник и внешний полупроводник. Чистая форма полупроводника – это собственный полупроводник с высоким удельным сопротивлением, когда примесь добавляется к собственному полупроводнику, получается внешний полупроводник, который далее классифицируется как полупроводник n-типа и полупроводник p-типа. Сопротивление полупроводника уменьшается при добавлении в него примеси.
  • При абсолютном нуле температуры проводники ведут себя как сверхпроводники, Сверхпроводники — это материалы, которые не имеют никакого удельного сопротивления и проводят электричество, поскольку удельное сопротивление отсутствует, следовательно, они имеют бесконечную проводимость без потери энергии.При температуре абсолютного нуля изолятор и полупроводник ведут себя как изолятор.
  • Проводник имеет ионную связь между атомами. Ионная связь образуется двумя противоположно заряженными ионами. Разноименно заряженные частицы получаются путем переноса валентного электрона между атомами. В изоляторе образование связи представляет собой либо ионную связь, либо ковалентную связь. В полупроводнике существует ковалентная связь между атомами, эта ковалентная связь образуется за счет обмена электронами между ними.

Заключение

Принципиальное различие между проводником, изолятором и полупроводником заключается в том, что проводимость полупроводника находится между проводимостями изолятора и проводника.

Проводники – Изоляторы – Полупроводники – Основы – Полупроводниковая технология от А до Я

Электронная зонная структура представляет собой энергетическую схему для описания проводимости проводников, изоляторов и полупроводников. Схема состоит из двух энергетических зон (валентной зоны и зоны проводимости) и запрещенной зоны. Валентные электроны, которые служат носителями заряда, находятся в валентной зоне, в основном состоянии зона проводимости занята без электронов. Между двумя энергетическими зонами находится запрещенная зона, ее ширина влияет на проводимость материалов.

Энергетические ленты

Если рассматривать отдельный атом, то согласно боровской модели атомов существуют резко различающиеся энергетические уровни, которые могут быть заняты электронами. Если рядом находится несколько атомов, они взаимозависимы, и дискретные энергетические уровни расходятся.В кристалле кремния на кубический сантиметр приходится примерно 10 23 атомов, так что отдельные энергетические уровни уже не отличимы друг от друга и, таким образом, образуют широкие диапазоны энергий.

Энергетические уровни атомов, которые находятся во взаимозависимости с другими атомами

Ширина энергетических зон зависит от того, насколько сильно электроны связаны с атомом. Валентные электроны на самом высоком энергетическом уровне сильно взаимодействуют с электронами соседних атомов и относительно легко могут быть решены из атома; при очень большом числе атомов один электрон больше не может быть отнесен к одному атому. В результате энергетические зоны отдельных атомов сливаются в непрерывную полосу — валентную зону.

Энергетические диапазоны атомов, которые находятся во взаимозависимости с другими атомами

Ленточная модель проводников

В проводниках валентная зона либо не полностью заполнена электронами, либо заполненная валентная зона перекрывается с пустой зоной проводимости. Как правило, оба состояния возникают одновременно, поэтому электроны могут двигаться внутри частично заполненной валентной зоны или внутри двух перекрывающихся зон.В проводниках нет запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости.

Ленточная модель изоляторов

В изоляторах валентная зона полностью занята электронами за счет ковалентных связей. Электроны не могут двигаться, потому что они «заперты» между атомами. Для достижения проводимости электроны из валентной зоны должны перейти в зону проводимости. Это предотвращает появление запрещенной зоны, которая находится между валентной зоной и зоной проводимости.

Только при значительных затратах энергии (если вообще возможно) можно преодолеть запрещенную зону; что приводит к незначительной проводимости.

Ленточная модель полупроводников

Даже в полупроводниках есть запрещенная зона, но по сравнению с изоляторами она настолько мала, что даже при комнатной температуре электроны из валентной зоны могут быть подняты в зону проводимости. Электроны могут свободно двигаться и действовать как носители заряда. Кроме того, каждый электрон также оставляет за собой дыру в валентной зоне, которая может быть заполнена другими электронами в валентной зоне. Таким образом, в валентной зоне появляются блуждающие дырки, которые можно рассматривать как носители положительного заряда.

Всегда есть пары электронов и дырок, так что отрицательных зарядов столько же, сколько положительных, полупроводниковый кристалл в целом нейтрален. Чистый нелегированный полупроводник известен как собственный полупроводник. На кубический сантиметр приходится около 10 10 свободных электронов и дырок (при комнатной температуре).

Так как электроны всегда принимают самое низкое с точки зрения энергии состояние, они падают обратно в валентную зону и рекомбинируют с дырками, если нет подвода энергии.При определенной температуре устанавливается равновесие между электронами, поднятыми в зону проводимости, и электронами, падающими обратно. С повышением температуры количество электронов, которые могут перепрыгнуть через запрещенную зону, увеличивается, что увеличивает проводимость полупроводников.

Модель ремешка

Поскольку ширина запрещенной зоны представляет собой определенную энергию, соответствующую определенной длине волны, пытаются изменить ширину избирательно, чтобы получить определенные цвета светоизлучающих диодов (LED).Этого можно добиться путем комбинирования различных материалов. Арсенид галлия (GaAs) имеет ширину запрещенной зоны 1,4 эВ (электрон-вольт при комнатной температуре) и, таким образом, излучает красный свет.

Собственная проводимость кремния не представляет интереса для функционирования компонентов, так как зависит, в том числе, от подведенной энергии. Это означает, что он меняется с температурой; кроме того, проводимость, сравнимая с металлами, возможна только при очень высоких температурах (несколько сотен градусов Цельсия).Чтобы намеренно влиять на проводимость полупроводников, в регулярную решетку кремния можно вводить примесные атомы, чтобы изменить количество свободных электронов и дырок.

18 Разница между проводниками, полупроводниками и изоляторами (с таблицей)

Физика — это отрасль науки, изучающая структуру материи и то, как ее составляющие взаимодействуют с природой. Область физики включает механические и электрические исследования.

Электротехника занимается электричеством и электропроводностью.Проводники, полупроводники и изоляторы являются важными компонентами, которые влекут за собой проводимость.

Итак, в чем основное различие между проводниками, полупроводниками и изоляторами? Проводники — это материалы, пропускающие электрический ток. Полупроводники – это материалы, обладающие умеренной проводимостью. Изоляторы препятствуют протеканию в них электрического тока.

В этой статье представлены дополнительные различия между проводниками, полупроводниками и изоляторами в табличной форме.Потратьте время, чтобы прочитать его и познакомиться с их примерами.

Вы также наслаждаетесь: разница между металлами, неметаллы и металлоидами

Сравнительная таблица (проводники против полупроводников против изоляторов)

Основные условия проводников полупроводников Изоляторы Значение Это вещества, пропускающие через себя электрический ток. Это вещества, которые обеспечивают умеренный поток электрического заряда. Это вещества, препятствующие прохождению электрического тока. Электропроводность High Умеренный Low Запретный Габ не существует Малый существования Большой существование Resistivity Low Умеренный High Коэффициент температуры сопротивления положительный отрицательный отрицательный зарядные носители на полосе проводимости полностью заполнены частично заполнены полностью пустой проводимости Electrons многочисленные очень менее Нейтральные числа Течение тока Вызвано наличием свободных электронов. Вызвано свободными электронами и дырками Незначительное количество свободных электронов. Валентные электроны Только один валентный электрон на внешнем энергетическом уровне Четыре валентных электрона на внешнем энергетическом уровне. Восемь валентных электронов на внешнем энергетическом уровне. Перекрывающиеся зоны Валентная зона и зона проводимости перекрываются Валентная зона и зона проводимости имеют отдельный зазор в 1.1эВ. Обе полосы разделены энергетической щелью 6эВ – 10эВ. Тип облигаций Металлический связующий ковалентного связывания ионной связи Влияние температуры на проводимость уменьшается Увеличивает увеличивается Влияние легирования Сопротивление увеличивает Сопротивление остается неизменным. Сопротивление уменьшается. Абсолютный ноль Ведут себя как сверхпроводники Ведут себя как изоляторы Ведут себя как изоляторы Эффект повышения температуры Электронный перенос увеличивается Электронный перенос увеличивается. Применение Токопроводы и трансформаторы. Диоды, транзисторы и оптопары Спортивное оборудование и бытовая техника. Примеры Медь, алюминий, графит и т. д. Кремний, германий, мышьяк и т. д. Бумага, резина, стекло, пластик и т. д.

Что такое электропроводность?

Проводники — это вещества, которые обеспечивают легкое прохождение электрического тока через них.Разрешение происходит, когда электроны перемещаются от одного атома к другому при приложении соответствующего электрического поля.

Эти материалы обладают высокой проводимостью по сравнению с полупроводниками и изоляторами. Заряд напряжения заставляет электроны перемещаться из валентной зоны в зону проводимости из-за электрических полей.

Движение носителей заряда позволяет пропускать через устройство большой электрический ток. Примерами проводников являются медь, алюминий и графит.

Вам также может понравиться: Разница между растворенным веществом и растворителем

Что такое полупроводники?

Полупроводники — это вещества, обладающие умеренными свойствами электропроводности.Но носителями заряда являются как электроны, так и дырки.

При температуре абсолютного нуля полупроводники ведут себя как изоляторы. Это происходит потому, что в самой внешней оболочке нет свободного движения электронов.

В полупроводниках валентная зона и зона проводимости не перекрываются. Это причина небольшой разницы в энергии с проводниками. Примерами полупроводников являются кремний и мышьяк.

Что такое изоляторы?

Изоляторы представляют собой вещества, препятствующие прохождению через них электрического тока. Эти материалы называются плохими проводниками электрического заряда.

Энергетическая щель достаточно велика, и это не возбуждает валентные электроны на самой внешней оболочке. Это происходит потому, что электроны не могут перепрыгнуть в зону проводимости из валентной зоны.

Но экстремально высокие температуры могут заставить электроны прыгать в зону проводимости и обеспечивать протекание электрического тока. Примерами изоляторов являются бумага и каучук.

Вам также может понравиться: Разница между физическими и химическими изменениями

Разница между проводниками, полупроводниками и изоляторами

  1. Проводники обладают высокой проводимостью.Полупроводники имеют умеренную проводимость. Изоляторы имеют низкую проводимость.
  2. Проводники имеют низкое сопротивление. Полупроводники имеют среднее сопротивление. Изоляторы имеют высокое сопротивление.
  3. Проводники имеют полностью заполненную зону проводимости. Полупроводники частично заполнили зону проводимости. Изоляторы имеют полностью пустую зону проводимости.
  4. Проводники имеют металлическое соединение. Полупроводники имеют ковалентную связь. Изоляторы имеют ионную связь.
  5. Проводники не имеют запрещенного зазора.Полупроводники имеют небольшую запрещенную зону. Изоляторы имеют большую запрещенную зону.

В заключение

Проводники, полупроводники и изоляторы находят множество применений в промышленности. Применение этих материалов основано на их электропроводности и других важных свойствах.

Движение электронов из валентной зоны в зону проводимости является причиной протекания электрического тока. Полупроводники лежат между проводниками и изоляторами.

Таким образом, основное различие между проводниками, полупроводниками и изоляторами основано на проводимости. Проводники и полупроводники пропускают ток, в отличие от изоляторов.

Дополнительные источники и ссылки

Разница между проводником, полупроводником и изолятором (со сравнительной таблицей)

Решающее различие между проводником, полупроводником и изолятором заключается в их уровне проводимости . Проводники — это в основном материалы, которые позволяют легко протекать электрическому току и, следовательно, обладают высокой проводимостью, полупроводники — это материалы, обладающие умеренной проводимостью.Напротив, изоляторы — это материалы, которые препятствуют прохождению заряда через них, таким образом, демонстрируя низкую проводимость.

Это главный фактор, который отличает три. Однако между проводником, полупроводником и изолятором существуют некоторые другие различия, которые мы обсудим позже. Но, прежде чем перейти к этому, посмотрите на содержание, которое будет обсуждаться в этой статье.

Содержание: проводник, полупроводник и изолятор

  1. Сравнительная таблица
  2. Определение
  3. Ключевые отличия
  4. Заключение

Сравнительная таблица

Параметр Проводник Полупроводник Изолятор
Запрещенная энергетическая щель Не существует Малая (1 эВ) Большая (>5 эВ)
Проводимость Высокая (10 -7 мОм/м) Средняя (от 10 -7 до 10 -13 мОм/м) Очень низкая) (10 -7 мОм/м)
Практически незначителен.
Удельное сопротивление Низкое Среднее Высокое
Поток тока Из-за движения свободных электронов. Из-за движения электронов и дырок. Практически незначителен, но только из-за свободных электронов.
Температурный коэффициент сопротивления Положительный Отрицательный Отрицательный
Носители заряда в зоне проводимости Полностью заполнены Частично заполнены Полностью свободны
Носители заряда в валентной зоне Почти вакантные Частично заполненные Полностью заполненные
Пример Медь, алюминий, графит и т.д. Кремний, германий, мышьяк и т. д. Бумага, резина, стекло, пластик и т. д.
Применение Провода, трансформаторы, электрические шнуры и т. д. Диоды, транзисторы, оптопары и т. д. Спортивное оборудование, бытовая техника и т. д.

Определение проводника

Проводники — это вещества, которые позволяют легко пропускать через себя электрическую энергию. Точнее, мы можем сказать, что он позволяет легко перетекать электронам от одного атома к другому, когда к нему приложено соответствующее электрическое поле.Это материал, который обладает самой высокой проводимостью среди трех.

Теперь нам приходит в голову вопрос: что такое проводимость?

Итак, это свойство материала, благодаря которому он позволяет протекать через него большому количеству тока. В основном движение электронов внутри материала отвечает за его проводимость. И эти электроны показывают движение, когда на них подается определенное напряжение. Это напряжение прикладывает к электронам силу, благодаря которой они легко начинают переходить из валентной зоны в зону проводимости.

Таким образом, это хорошие проводники электричества.

Давайте посмотрим на диаграмму уровней энергии проводников:

Поскольку две зоны, то есть валентная зона и зона проводимости, перекрываются друг с другом. Таким образом, когда к таким материалам приложено определенное напряжение, то электроны легко перемещаются из валентной зоны в зону проводимости за счет влияния электрического поля. Это движение носителей заряда генерирует большой электрический ток через устройство.

Определение полупроводника

Полупроводники — это материалы, обладающие меньшим свойством электропроводности, чем проводники. Носителями заряда в случае полупроводников являются электроны и дырки.

При температуре абсолютного нуля в случае полупроводников не происходит никакого движения носителей заряда. В этом случае он ведет себя как изолятор. Но для того, чтобы имел место значительный поток носителей заряда, им должен быть придан определенный потенциал, способный возбудить электроны на другой энергетический уровень. Тем самым вырабатывая электрический ток.

Давайте посмотрим на диаграмму энергетических уровней полупроводников:

Как мы видим на рисунке выше, энергетическая запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости присутствует. Хотя этой разности энергий не было в рассмотренном ранее случае проводников.

В случае полупроводников две зоны не перекрываются, поэтому между ними существует небольшая разница в энергии. Итак, электроны в валентной зоне не могут автоматически возбудиться, чтобы перейти в зону проводимости.Но при приложении определенного напряжения электроны в валентной зоне набирают достаточную энергию и перескакивают в зону проводимости.

Определение изолятора

Изоляторы — это материалы, плохо проводящие электрические заряды. Как и в случае с изоляторами, через них не может свободно течь ток. В случае диэлектриков ширина запрещенной зоны настолько велика, что даже приложенный потенциал не возбуждает электроны из валентной зоны в зону проводимости. Но поскольку они обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, следовательно, с повышением температуры предлагаемое ими сопротивление уменьшается.

Давайте посмотрим на диаграмму уровней энергии изолятора :

Здесь, как мы видим, существует большая запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости. Эта большая запрещенная зона не позволяет электронам прыгать в зону проводимости. Следовательно, текущий поток невозможен. Ширина запрещенной зоны в случае изолятора больше по сравнению как с проводниками, так и с изоляторами.

Однако существует случай пробоя изоляционных материалов, в котором, когда создается или подается чрезвычайно высокая температура, это заставляет электроны преодолевать большую разность энергий, тем самым перемещаясь в зону проводимости.

Ключевые различия между проводником, полупроводником и изолятором

  1. Фактор, порождающий ключевое различие между проводником, полупроводником и изолятором, заключается в том, что энергетическая щель между зоной проводимости и валентной зоной не существует, поскольку две зоны перекрываются в случае проводника.
    Напротив, энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости мала в случае полупроводников . В то время как существует большая разница в энергии между двумя полосами в случае изоляторов .
  2. Поскольку проводники допускают большой поток электрического тока, они обладают низким удельным сопротивлением по сравнению с полупроводниками, удельное сопротивление которых умеренное. С другой стороны, изолятор обладает самым высоким удельным сопротивлением среди всех.
  3. Проводники по своей природе обладают высокой проводимостью, а полупроводники обладают умеренной проводимостью. В отличие от этого проводимость изоляторов практически незначительна.
  4. Проводники — это материалы, которых имеют положительный температурный коэффициент сопротивления , так как сопротивление увеличивается с повышением температуры.В то время как полупроводники и изоляторы обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления , так как их удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры.
  5. В случае проводников зона проводимости полностью заполнена, в полупроводниках она частично заполнена, а в изоляторах зона проводимости полностью свободна.
  6. Валентная зона в проводниках почти свободна, в полупроводниках частично заполнена, так как часть электронов находится в зоне проводимости из-за малой ширины запрещенной зоны.Однако в случае диэлектриков валентная зона полностью заполнена, потому что существует большая запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости.
  7. Обычными проводниками являются медь, алюминий, графит, железо и т. д. Примерами полупроводников являются кремний и германий. В то время как обычными изоляторами являются бумага, резина, стекло, пластик и т. д.

Заключение

Итак, из приведенного выше обсуждения мы можем сделать вывод, что движение электронов из валентной зоны в зону проводимости отвечает за протекание тока.Наличие электронов в зоне проводимости определяет уровень проводимости материала. Поэтому уровень проводимости полупроводников находится где-то между проводниками и изоляторами.

Научные принципы

Научные принципы

Проводники, изоляторы и полупроводники:

Все материалы обладают электрическими свойствами, которые позволяют им быть организованы в три широких категории: проводники, изоляторы и полупроводники.Металлы (чистые элементы и сплавы) обычно являются проводниками. из электричество. Тысячи миль алюминиевых и медных проводов пересекать страна, проводящая электричество в наши дома и на работу. А относительно небольшое количество неметаллических веществ также может быть отнесено к проводники. Кроме того, очень немногие керамические соединения продемонстрировали необычную свойство сверхпроводимость при низкой температуре жидкого азота или ниже.То неметаллические элементы и их соединения относятся к классу электрический изоляторы. Большинство керамики и пластмасс не проводят электричество. под обычные обстоятельства. Пластиковые покрытия часто встречаются покрытие меди провода для защиты пользователя от ударов и защиты устройств от короткого замыкания замыкание. Керамические ручки используются там, где электрические провода прикреплены к электрические столбы или к задней части дома. Третья группа материалов, полупроводники, может понимать из их названия, находиться где-то посередине между дирижеры и изоляторы.

Хотя чистые элементы, такие как кремний, играют важную роль в много полупроводниковых устройств, чаще всего используется путем добавления очень маленький, но контролируемое количество примесей для изменения его свойств. Материалы на основе кремния доминируют в полупроводниковой промышленности и в электронные устройства, такие как компьютеры и калькуляторы, но ряд разное соединения также широко используются, включая GaAs (или галлий арсенид), который это материал, используемый в лазере проигрывателя компакт-дисков.Некоторые другие комбинации элементы, проявляющие полупроводниковые свойства, указаны на периодический таблицу ниже (см. рис. 1). В чтениях и лабораторных работах которые следуют, акцент делается на том, что такое полупроводниковые материалы, как они б/у, что свойств, которыми они обладают, и почему они ведут себя именно так.

Рисунок 1: элементов, найденных в элементарных и составных полупроводники. Группа IV — элементарные полупроводники.Составные полупроводники может быть образован объединение групп III и V или II и VI.

Электрическая проводимость:

Электропроводность – это функция способности материала нести электрический ток. Электропроводность () материала определенный взяв обратную измеренную электрическую устойчивость (R) к поток электричества по длине (L) материала, деленный на площадь поперечного сечения (А).

См. Рисунок 2 для сравнения проводимости материалов. Проводимость зависит от температуры. По мере повышения температуры, проводимость металла уменьшается. Напротив, проводимость чистого полупроводники и изолятора увеличивается с повышением температуры. Контроль и изменение проводимость материалов является одной из проблем, стоящих перед электронный ученые-материаловеды.

Рисунок 2: Электрическая проводимость некоторых распространенных материалы.

Когда приложено электрическое поле, электроны могут течь через материал, если во внешних (валентных) оболочках атомов имеются пустые состояния которые составляют материал. Электрон не будет легко перемещаться между атомами если есть не вакантное состояние аналогичной энергии в принимающем для него атоме оккупировать. Мы моделируем пустое и заполненное состояния (энергия электрона уровни) с использованием квантовая теория. Отдельный атом имеет электроны, локализованные около сам.Ан атомная орбиталь одного атома может перекрываться с атомной орбита другого атом, образующий две молекулярные орбитали. Один, называемый склеиванием молекулярный орбитальный, имеет низкую энергию, а другой с более высокой энергией называется антисвязывающая молекулярная орбиталь. По мере того, как все больше и больше атомов собираются в сформировать твердые, число связывающих и разрыхляющих орбиталей примерно та же энергия увеличивается, и они начинают приобретать характеристики энергия группа.(См. рис. 3). Энергетические различия между орбитали внутри полоса небольшая. Электроны могут свободно перемещаться между этими орбиталями. в пределах энергетический диапазон до тех пор, пока орбитали не будут полностью заняты. Самый высокий занятая энергетическая зона называется валентной зоной. Но есть это регион которая отделяет валентную зону от зоны проводимости где есть нет орбиталей. Электроны не могут иметь эти энергии. В изоляторы, эта энергетическая щель относительно велика, и в полупроводниках энергетический разрыв средний.

Рисунок 3: Энергетические зоны металлов, полупроводников и изоляторы. Для диэлектрики и полупроводники, нижняя полоса называется валентная зона а более высокая полоса называется зоной проводимости. То нижний энергетический диапазон в металлов частично заполнен электронами.

Атомы, образующие металлические проводники, имеют множество частично и полностью незанятый уровни с близкими энергиями: большое количество подвижных зарядов перевозчики способен перемещаться по материалу, когда электрический потенциал (напряжение) применяемый.В полупроводнике или диэлектрике валентная зона полностью заполнены электронами в связанных состояниях, так что проводимость не может происходить. Там на соседних атомах нет вакантных уровней с одинаковой энергией. В абсолютный ноль, его антисвязывающие состояния (зона проводимости) полностью пусты. Есть там нет электронов, проводящих электричество. Поэтому изоляторы не можем провести. В случае полупроводников при повышении температуры электроны в валентная зона приобретает достаточную энергию для продвижения по энергия щель” в зону проводимости.Когда это происходит, они способствуют электроны могут двигаться и проводить электричество. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем проще это заключается в перемещении электронов в зону проводимости.

Аналогия:

Аналогия для объяснения этого процесса проведения может помочь. Представлять себе а супершоссе в Лос-Анджелесе с четырьмя полосами местного движения и четырьмя выражать полосы, идущие на север (направление, противоположное электрическому полю). Сейчас представлять себе что строительство остановило движение на всех скоростных полосах (валентная полоса).При этом местные полосы движения (полоса проводимости) полностью пустой потому что все решили ехать по скоростным полосам, чтобы ехать быстрее. Никто не может двигаться по скоростным полосам, а на местных полосах нет машин так никто попадает куда угодно. Внезапно футбольная команда LA Raiders (тепло энергия) выходит другого автобуса, застрявшего в пробке, и решает поднять машины барьер (энергетический разрыв) на локальные дорожки. Чем выше барьер, чем медленнее команда поднимет автомобили через шлагбаум, и чем меньше автомобилей доберется до переехать. Каждый раз, когда автомобиль поднимается над барьером, он начинает двигаться так “текущий поток” начинается. Каждый раз, когда автомобиль удаляется со скоростной полосы, другие автомобили могут двигаться в отверстие, которое он оставляет, так что некоторый ток также переносится там (в валентная зона). Обратите внимание, что автомобиль на местных полосах движется в противоположный направление от дыры, оставленной позади! К сожалению, автомобили в местный полосы время от времени сходят на выездах, и все больше машин въезжает в экспресс полосы, чтобы заполнить отверстия, поэтому только ограниченное количество тока может поток.

Эта аналогия хорошо работает для объяснения проводимости в чистом (внутренний) полупроводники, в которых носители заряда происходят из химических облигации в само вещество. Тепловая энергия в полупроводнике увеличивает количество электроны продвигаются в пустую зону проводимости; в вакансии (или отверстия), созданные в этом процессе, обеспечивают подвижность электронов в валентная зона через материал. Эти полупроводники при высоких температурах относительно хорошими проводниками, потому что в них больше электронов. в зона проводимости и дырки в валентной зоне, доступные для движение электрона.Но при низких температурах собственные полупроводники являются изоляторами. с тех пор количество электронов и дырок уменьшается. При абсолютном нуле внутренний полупроводник не будет иметь электронов в зоне проводимости. Однако наиболее важные полупроводники относятся к внешнему типу, где некоторые примесь (другой элемент) была намеренно добавлена ​​в твердый до увеличить проводимость. Свойства внешнего полупроводник определяется наличием этих примесей.

Допинг:

Легирование может производить два типа полупроводников в зависимости от элемент добавлен. Если элемент, используемый для легирования, имеет хотя бы еще один валентный электрон чем основной полупроводник, затем n-тип (отрицательный тип) полупроводник создан. Например, если добавить мышьяк к кремнию кристалле мышьяк имеет на один валентный электрон (5) больше, чем кремний (4). Этот дополнительный электрон доступен для переноса тока.Итак, атом As в Си есть как машина, решившая выехать на местные переулки Лос-Анджелеса шоссе с тех пор экспресс-полосы забиты. С кремнием или другим материалом группы IV полупроводники, любые член группы V (азот не используется) может образовывать n-тип полупроводник. Если полупроводник легирован элементом, имеющим хотя бы один меньше электрона чем основной материал, затем p-тип (положительный тип) образуется полупроводник. Например, если кремний легирован с участием алюминий (три валентных электрона), в валентная полоса.Опять же, любой член группы III может легировать основной полупроводник из Группа IV и показывают тот же эффект. Твердое тело будет иметь «положительную» дыру в его электронный структура, которая будет двигаться в направлении, противоположном направлению движения электрона поток . Таким образом, получится полупроводник р-типа. Это было бы как если бы футбол Команда подобрала машину и поставила ее посередине между скоростные полосы и местные переулки. Допинг нельзя довести до такой степени, беспокоит кристаллическая структура основного полупроводника.Допинг делается в диапазон частей на миллион концентраций, но может быть до нескольких частей за тысячу. Полупроводник, легированный до нескольких частей на тысячу, имеет проводимость близкий к низкокачественному металлу. Вопрос-мысль по рисунку 4: Почему уровни примесей n-типа и p-типа немного различаются из уровни в собственном полупроводнике?

Рисунок 4: Полупроводник p-типа и n-типа.Пятый валентный электрон легирующей примеси n-типа может легко перейти к проводимости группа и нести ток. В полупроводнике р-типа электроны легко продвигается в вакантного уровня в легирующей примеси. Это создает дыру в валентная зона, которая может проводить ток, двигаясь в направлении, противоположном поток электронов.

Концепция отверстия:

Пара дополнительных аналогий может помочь объяснить дыру концепция.Для первый, вам понадобятся шесть стульев и пять студентов. Расстановка шесть стулья и попросите пятерых учеников сесть в ряд, оставив стул на право вакантный. Предположим, что внешние токовые клеммы положительны на право и минус влево. По мере движения потока возбужденных электронов сквозь кристалла к положительному выводу, поэтому электроны из связанного перемещение сайта к положительной клемме в соседнее отверстие, в результате чего отверстие мигрировать к отрицательной клемме.Пусть ученики (электроны) двигаются один стул вправо; обратите внимание, что пустой стул (положительное отверстие) имеет взолнованный, эффектно слева.

Для второй демонстрации требуется стеклянная пробирка, наполненная глицерин и закупоренный. Обязательно оставляйте пузырьки воздуха внутри закупоренной трубка. То глицерин представляет собой электроны, а воздушный пузырь представляет собой положительный отверстия. Когда трубка перевернута и электроны движутся в своих направление (вниз – в данном случае из-за силы тяжести, но из-за плюсовой клеммы в электронный сценарии) воздушный пузырь движется в обратном направлении (вверх – из-за плотности различия в этом случае, но из-за влечения к отрицательным терминал в электрический случай. ) После этих двух демонстраций должно быть ясно, что полупроводниковые дырки и электроны движутся в противоположных направлениях направления.

Рисунок 5: Схема пузырька (отверстия), движущегося вверх в перевернутый пробирка с глицерином.

Применение и исследования:

Строительный блок большинства полупроводниковых устройств включает в себя объединение р-тип и области n-типа в p-n переходы. Представьте, что вы приносите вместе два кристаллы, один из которых n-типа, а другой p-типа.Некоторые из электроны от потока n-типа к материалу p-типа. В точку где p-тип и n-типа встречаются (интерфейс) электроны с n-стороны заполняют отверстия на p-сторона и образуется накопление противоположно заряженных ионов, и таким образом потенциал через барьерные формы. Это накопление заряда называется потенциал соединения. Барьер предотвращает дальнейшую миграцию электроны и чистый ток равен нулю.

Если приложить напряжение к p-n переходу с отрицательным Терминал связана с n-областью, а p-область связана с положительный терминал, электроны будут течь к положительному терминалу, в то время как отверстия будут течь к отрицательной клемме. Это называется вперед смещения и течения. Однако, если положительная клемма подключен к n-типу, а минус к p-типу, a обратное смещение формы и ток не течет из-за накопления потенциала барьер. В Другими словами, эти устройства должны быть помещены в электрическую цепь. с соблюдайте полярность, иначе они не будут работать. Это приложение р-н соединение используется во многих электронных устройствах. На рис. 6 показаны формирование потенциал на p-n переходе.На рис. 7 показано влияние прямого и отрицательный смещение на p-n переходе.

Рис. 6. P-n-переход до и после соединения двух материалов. принес в контакт. Когда два материала соединяются вместе, электроны из N-сторона совмещается с отверстиями на p-стороне. Этот приводит к положительному результату заряд на n-стороне перехода и отрицательный заряд накопление на р-сторона. Это разделение заряда создает соединение потенциал.Примечание: На стыке нет ни электронов, ни дырок, они в сочетании с каждым разное.

Рисунок 7: p-n переход при прямом и обратном смещении. Обратите внимание, что в смещение вперед, барьер опускается, в то время как в обратное смещение, т. барьер поднят.

Вопрос для размышления: в каждом случае на рисунке 7, какая сторона подключен к плюсовая клемма внешнего источника напряжения? Будут ли электроны или отверстия несут ток, когда соединение имеет такое расположение?

Электронные устройства:

Существует множество электронных устройств, функционирующих с использованием комбинаций p-n соединения, такие как диоды, солнечные элементы и транзисторы.В этом раздел кратко будет дано объяснение каждого из этих основных устройств.

Диод представляет собой приложение с p-n переходом, которое действует как выпрямитель для преобразование переменного тока в постоянный. Это связано с способность диода пропускать ток в одном направлении, но не в разное.

Солнечные элементы представляют собой устройства с p-n переходом, которые используют солнечный свет для создания электрический энергия. Это энергия солнечных фотонов, которая вызывает в электроны продвигаются в зоны проводимости и переносят ток.Однако ток, получаемый от солнечной батареи, невелик. Это занимает много солнечных ячеек для производства достаточного тока для выполнения крупномасштабной работы. Если выход энергии от солнечных батарей может быть увеличено, солнечная энергия может быть использована для больше, чем отдельные, изолированные приложения.

Транзисторы – еще одно применение p-n перехода. Транзисторы, в отличие от диоды, содержащие более одного p-n перехода. Из-за этого транзистор может использоваться в цепи для усиления небольшого напряжения или тока в больший или работать как выключатель.Транзисторы бывают двух основных типов: биполярный переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET). Примерно 95% всех электронных систем используют один или оба этих типа устройства.

BJT состоят из трех слоев легированных материалов, либо n-p-n или p-n-p в конфигурация. BJT действует как шишка или плотина в открытом ручье. контролировать количество пропускаемого тока; таким образом, когда шишка опускается, больше ток может поток.В BJT высота выступа регулируется основанием. ток в полупроводник. BJT был изобретен в 1948 году Джоном Бардином, Уолтер Бриттен и Уильям Шокли используют германий. BJT оставался Только важных трех терминальных полупроводниковых устройств примерно на дюжину лет спустя свое изобретение и помогли запустить современную электронику эпоха.

С начала 1960-х годов полевой транзистор считался одним из самых важный устройства в твердотельной технологии.В настоящее время многие из применения На смену биполярным транзисторам пришли металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы. (МОП-транзисторы). МОП-транзисторы теоретизировались за много лет до того, как их можно было использовать. изготовлено. Причина, по которой полевые МОП-транзисторы не могли быть созданы, заключалась в том, что ученые не еще развитый методы выращивания высококачественного диоксида кремния (SiO 2 ) на кремний. полевой транзистор функционирует больше как ворота для управления потоком тока (например, клапан на кран).Полевые транзисторы относительно просты в изготовлении по сравнению с BJT, и они зарекомендовали себя как чрезвычайно быстрые и надежные переключатели в миниатюрных схема компоненты с гораздо меньшим энергопотреблением, чем у BJT. Самый современный микропроцессоры основаны на устройствах FET – от чипов Pentium в ПК до процессоров супер компьютеры. Транзисторы, диоды и другие электронные устройства объединены в множество различных шаблонов для формирования сегодняшних интегральных схем.

Интегральная схема (ИС) была рабочей лошадкой “микроэлектроника Эпоха», начавшаяся в конце 1950-х гг.Эти чипсы, обычно изготовленные из кремний, состоят из комбинаций четырех основных электрических областей. Эти регионы содержат резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы. С 1971 года очень Крупномасштабная интеграция (СБИС) позволила миллионам таких регионов быть изготовлен на чипе размером всего в один квадратный сантиметр. Не только эти элементы схемы становятся меньше, они также становятся быстрее. Например сегодняшний типичный настольный компьютер с процессором Pentium может выполнять десятки миллионы операций в секунду, тогда как современные суперкомпьютеры оценивается в гигафлопс (миллиарды операций в секунду).Терафлоп (триллионы из операций в секунду) машины будут готовы к производству к 2000 год.

Свойства и обработка электронных материалов:

Преобладание электронных материалов в данной информации возраст должен быть в частью нескольких фундаментальных научных открытий в девятнадцатый век. Для большинства современных полупроводниковых устройств требуется химическое элементы кремний, германий или галлий (в сочетании с мышьяком), но ни один из них не имел был выделены или идентифицированы до 1824 г.Хотя кремний второй наиболее распространенный элемент в земной коре, оказалось очень трудно отдельный из его природных соединений, таких как диоксид кремния в обычном песке и другие силикатные минералы. Благодаря настойчивости и изобретательности швед химик по имени Наконец Берцелиус получил неуловимый кремний. Он реагировал на кремний тетрафторида металлическим калием и химически восстановили его из его соединение чтобы впервые получить элемент кремний.

SiF 4 + 4K —> 4KF + Si

Более чем в десять тысяч раз более редкое, чем кремний, существование галлий и о германии даже не подозревали, пока не была составлена ​​таблица элементов. было предложено Менделеевым в 1868 году. В течение двух десятилетий открытие и характеристика этих элементов ясно показало, что периодическая таблица является инструментом, не только для записи химической информации, но и для прогнозирования результатов химических исследование.Наконец, именно эти два элемента вместе с кремний, который предоставил полигон для исследования полупроводников несколько десятилетия спустя.

В соответствии с очень общими тенденциями свойств на периодических стол, может быть показали, что элементы усиливают металлический характер, когда собираться в слева от точки (строка) или вниз по семейству (столбец). Таким образом, это было бы ожидал что самый металлический элемент будет найден в левом нижнем углу угол стол и наименее металлический вверху справа.Это сделано довольно очевидно, отображая иллюстрированную периодическую таблицу. Eсть постепенный переход свойств от металлических к неметаллическим при переходе к право через период и до семьи. Линия деления обычно размещен на таблица, которая выглядит как ступенчатый узор с элементами падение на любой сторона этой линии свободно классифицируется как полупроводники. Видеть Рис. 8.

Рисунок 8: Периодическая таблица элементов.Элементы к слева от жирная линия – металлы, справа – неметаллы. Выделенный элементы являются элементарными полупроводниками или используются в сложных полупроводники.

В центре репрезентативных элементов группа IV (углерод семья) элементы были обнаружены некоторые очень важные свойства, которые средний между металлическим и неметаллическим. Возможно, наибольшее значение это характеристика полупроводника. Без свинца (и олова ниже его температура перехода), все остальные элементы семейства могут иметь их атомы расположены так же, как в алмазе (чистый углерод). В этом форма, углерод имеет очень высокое сопротивление потоку электричества; таким образом, он может считается плохим проводником и классифицируется как электрический изолятор. С другой стороны, олово в его обычном кристаллическом расположении на номер температуры, имеет относительно низкое сопротивление потоку электричество; таким образом это достаточно хороший электрический проводник, когда он находится в металлическая форма.Однако у олова есть температура перехода, выше которой кристалл алмаза структуру и является гораздо худшим проводником. Как чистый кремний, так и чистый германий ведут себя как идеальные изоляторы при абсолютном нуле (-273 C), но при умеренном температуры их сопротивление потоку электричества уменьшается измеримо. Так как они никогда не становятся хорошими проводниками, их классифицируют как электрический полупроводники.

При выборе полупроводникового материала для электронной приложения, ряд факторов необходимо учитывать.Первостепенное значение имеет собственная ширина запрещенной зоны размер (разность энергий между валентностью и проводимостью группы). Кроме того, обычные химические и физические свойства основной материал и его соединения также играют важную роль. Кремний имеет преимущество образуя защитный поверхностный оксид при нагревании в кислороде. Кремний также формы стабильные проводящие соединения со многими другими элементами, в том числе металлы, что помогают установить с ним устойчивые электрические контакты.

Подобно углероду, кремний имеет четыре электрона, которые можно использовать для склеивание, и это называют четырехвалентным. Кремний образует несколько соединений, аналогичны тем из углерода, например, силан (SiH 4 ) соответствует метан (CH 4 ), и четыреххлористый кремний с четыреххлористым углеродом. В этих соединения, оба углерод и кремний расположены между четырьмя другими равномерно элементы, делающие молекулярную геометрию тетраэдрической. В своем расширенные соединения как силикаты в кварце, каждый атом кремния окружен четыре кислорода атомов в открытой тетраэдрической сети. При очистке кремния в это Элементарная форма, молекулярная геометрия аналогична алмазу. где каждый атом кремния окружен четырьмя другими, которые окружены четыре и так в расширенной сети.

Материалы из арсенида галлия очень полезны в оптоэлектронике. потому что они обеспечивают высокоэффективное поглощение и излучение света.Будущее исследование будет сосредоточиться на максимальном использовании полезных свойств каждого из этих материалы смешивание и наслоение их для улучшения оптоэлектронной чувствительности, потребляемая мощность и скорость передачи сигнала.

Существует два основных этапа производства полупроводников. схемы для компьютеры и другие электронные устройства, рост и производство. Сначала это необходимо вырастить почти совершенные кристаллы полупроводника материал, который нарезаются на тонкие плоские диски, называемые вафлями. Второй шаг, устройство изготовление, включает в себя создание схем, травление или депонирование компоненты схемы на пластине, а затем секционирование большего облатка в кусочки меньшего размера, называемые штампами. Изготовление устройств может иногда включает более ста шагов.

Рост кристаллов:

Выращиваются крупные монокристаллы полупроводников (Si и GaAs). из расплава по методике Чохральского.Сырье (чистое, как возможно) есть помещают в тигель и нагревают до температуры выше его плавления точка. А затравочный кристалл помещают в расплавленный полупроводник и извлекают медленно в вращающаяся мода. Этот метод может быть использован для выращивания кристаллов как размером с двенадцать дюймов в диаметре. Окончательный кристалл имеет цилиндрическую форму и должен быть отрезан на тонкие диски с помощью пилы с алмазным наконечником. Затем эти вафли полированный с использованием очень твердых мелких частиц, таких как кремнезем (SiO 2 ).Из-за характер процесса затвердевания, конечный твердый полупроводник чище чем сырье, которое использовалось для его производства. См. рис. 9.

Рисунок 9: Техника Чохральского для выращивания одиночных кристалл полупроводники.

Изготовление схемы:

После того, как полупроводниковые пластины достаточной чистоты были изготовлено, схема элементы должны располагаться на поверхности. Добавлены элементы цепи к пластины с использованием травления или осаждения.Пример использования травление в изготовление схем стоило бы вытравливания нескольких тысяч Ангстрем (10 -8 см) полупроводника между каждым устройством, эффективно изоляция устройств друг от друга. Поскольку маленькие столовые горы сформировался как Результат этого процесса называется изоляцией мезы. Большая схема элементы, однако они откладываются, имплантируются или выращиваются на поверхности. Эти может включать изоляторы (например, SiO 2 выращивается при производстве МОП-транзисторов) или металлы (т.грамм.. Алюминий нанесен для того, чтобы соединить устройства на чипе.) Легирующие добавки могут быть имплантировали на поверхность пластины и позволили диффундировать в материал нагрев его. И травление, и осаждение требуют процесса, называемого фотолитография. На рис. 9 показан типичный процесс фотолитографии. используется для изоляция мезы, а на рис. 10 показано осаждение металла. После многих устройства были сформированы на пластине, они разделены на отдельные чипы по процессу секционирования.

Рисунок 10: Типичный процесс фотолитографии для изоляции устройства на чипе. На этапе А тонкий слой светочувствительного полимер наносится на чип. На этапе B свет выборочно освещает часть полимер. Неэкспонированная часть снимается в проявке. процесс на шаге C. незащищенная поверхность чипа стравливается в химический процесс в стадии D. Наконец, на этапе E удаляют оставшийся полимер, оставляя столовую гору непротравленный полупроводник, окруженный протравленной областью.

Рисунок 11: Нанесение металла на полупроводник. Пошагово А и Б, чип покрыт светочувствительным полимером и светом обнажает полимер в область, где металл должен быть размещен на чипе. В шаг С, открытая область удаляется в процессе, называемом развивающийся. Металл покрывает поверхность на шаге D. Это делается путем испарения металла и позволяя пара конденсироваться на поверхности полупроводника.Когда оставшийся полимер удаляется на шаге E, металл остается только в области незащищенный полимер.

Обзор полупроводников:

Полупроводниковые устройства теперь ежедневно влияют на нашу жизнь. Несмотря на то что изоляторы и проводники полезны сами по себе, полупроводники такие поскольку кремний и арсенид галлия резко изменили способ в котором живут миллиарды людей. Их промежуточная способность проводить электричество в комнатная температура делает их очень полезными для электронных Приложения.Для Например, современная компьютерная индустрия стала возможной благодаря способность кремниевые транзисторы для быстрого включения/выключения.

Все материалы имеют энергетические зоны, в которых могут существовать их электроны. В металлах, валентная зона частично заполнена и электроны могут двигаться сквозь материал. Однако в полупроводниках существует запрещенная зона, существует, и электроны не могут легко перепрыгнуть через промежуток при низких температурах. В выше температуры, больше электронов полупроводника может перепрыгнуть через зазор; и это соответственно повышается проводимость.Электрические свойства также могут быть изменен легирование (добавление примесей в полупроводниковый материал). Этот тоже является одним из их большие активы.

Введение примесей в полупроводниковый материал может привести к двум разные Типы электрического поведения. Это так называемые n (отрицательные) и р (положительные) материалы типа. Элементы группы V, такие как мышьяк, добавляются к кремний или германий производит n-тип в силу их дополнительного валентного электрона.Группа III такие материалы, как бор, производят p-тип, так как они имеют только три валентность электроны. Когда материал n-типа соединяется с p-типом материал, устройство демонстрирует поведение диода. То есть ток может течь в одном направление через интерфейс, но не в другом.

Диоды действуют не только как выпрямители, они также привели к развитие транзистор. Биполярный транзистор (BJT) представляет собой диод с в третьих добавлен материал для создания второго интерфейса.Либо нпн, либо пнп типы существуют, но их основная работа по существу такая же, как у двух диодов соединен с друг друга. Надлежащее смещение напряжения на каждом диод Устройство может позволить большое усиление тока. Сегодня металл окись полупроводниковые полевые транзисторы (МОП-транзисторы) пришли на смену BJT во многих Приложения. Теперь миллионы транзисторов могут быть размещены на один кремний микросхема или интегральная схема. Эти микросхемы более надежны и потреблять меньше мощность, чем большие электронные схемы прошлого.

Существует два основных этапа изготовления электронных устройств. из сырого материалы. Сначала плавится полупроводник и затравочный кристалл используется, чтобы вытяните большой кристалл чистого твердого полупроводника из жидкость. Вафли из полупроводник нарезается и полируется. Далее, схема узор выгравирован или нанесены с использованием фотолитографического процесса. Наконец, отдельные чипы вырезаны из исходной пластины.

Скорость электронных вычислений также значительно возросла с интегрированный схема. Время цикла современных компьютеров теперь измеряется в наносекунды. Оптоэлектронные (лазерные диоды) исследования расширяют и без того огромная ставка в какая информация может быть передана. В общем, полупроводники. продолжать двигать технический прогресс в 21 век.

Следующая тема: Ссылки
Полупроводниковое содержимое
MAST Домашняя страница

Чем полупроводники отличаются от проводников и изоляторов? – Рестораннорман.ком

Чем полупроводники отличаются от проводников и изоляторов?

Уровни проводимости – основное различие между проводниками, полупроводниками и изоляторами. Проводники обладают высокой проводимостью, что означает, что они позволяют энергии, такой как электричество, тепло или звук, легко проходить через них. В то время как полупроводники допускают умеренный поток, а изоляторы обладают низкой проводимостью.

Чем полупроводники отличаются от проводников и изоляторов с точки зрения валентных электронов?

Ключевые различия между проводниками, полупроводниками и изоляторами.В проводниках имеется только один валентный электрон на самой внешней оболочке, хотя на самой внешней оболочке полупроводников имеется четыре валентных электрона, а на самой внешней оболочке изоляторов — восемь валентных электронов.

Почему сопротивление полупроводника больше сопротивления проводника?

В полупроводниках повышение температуры увеличивает энергию электронов в валентной зоне, и эти электроны теперь могут легко совершать переходы в зону проводимости. Затем, с большим количеством электронов проводимости, проводимость увеличивается или удельное сопротивление уменьшается.

Что происходит при повышении температуры в проводнике?

По мере увеличения температуры металлического проводника кинетическая энергия электронов проводника также увеличивается, из-за чего возникает больше препятствий для протекающих электронов и, следовательно, для тока.

Увеличивается ли удельное сопротивление с температурой?

Общее правило заключается в том, что удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры в проводниках и уменьшается с повышением температуры в изоляторах.Таким образом, когда температура повышается, сопротивление увеличивается. Для некоторых материалов удельное сопротивление является линейной функцией температуры.

Почему удельное сопротивление проводника увеличивается с температурой?

Сопротивление проводника увеличивается с повышением температуры, потому что тепловая скорость свободных электронов увеличивается с повышением температуры. Это приводит к увеличению числа столкновений между свободными электронами.

Уменьшается ли сопротивление с температурой?

Чем больше эти атомы и молекулы подпрыгивают, тем труднее электронам пройти мимо.Таким образом, сопротивление обычно увеличивается с температурой. В некоторых материалах (например, в кремнии) температурный коэффициент удельного сопротивления отрицателен, что означает, что сопротивление уменьшается с повышением температуры.

Изменяется ли удельное сопротивление с длиной?

Резюме по удельному сопротивлению Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине (L) как R ∝ L. Таким образом, удвоение его длины удваивает его сопротивление, а уменьшение вдвое его длины уменьшает вдвое его сопротивление.

Как влияет температура на удельное сопротивление полупроводника?

Удельное сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры, так как больше электронов переходит в зону проводимости, увеличивая ее проводимость.

Удельное сопротивление прямо пропорционально сопротивлению?

Удельное сопротивление ρ является внутренним свойством материала и прямо пропорционально общему сопротивлению R, внешней величине, которая зависит от длины и площади поперечного сечения резистора. Удельное сопротивление различных материалов сильно различается.

Какой проводник имеет меньшее удельное сопротивление?

Удельное сопротивление различных материалов Материал с низким удельным сопротивлением означает, что он имеет низкое сопротивление, и поэтому электроны плавно проходят через материал.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.