Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

Что такое проводник, полупроводник и диэлектрик согласно Зонной теории

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

В электроэнергетике можно выделить три главные группы материалов: проводник, полупроводник и диэлектрик. Основное их отличие в том, что у них различная проводимость электрического тока. В этой статье поговорим о различии таких материалов и их поведении в электрическом поле.

Что такое проводник

Итак, проводник это – материал (вещество, среда), отлично проводящий электрический ток. Присутствующие в веществе так называемые свободные заряженные частицы (электроны или ионы), способны свободно перемещаться по всему объему вещества, а при приложении электрического напряжения создают ток проводимости.

Главной характеристикой проводника является его «сопротивление» (R), измеряемое в Омах или же обратная величина под названием «проводимость», находится по формуле:

G = 1/R

И измеряется данная величина в Сименс.

К проводникам относится: большая часть металлов, углерод (уголь либо графит), разнообразные растворы солей и кислот.

Проводники, у которых перенос заряда выполняется преимущественно за счет движения электронов (электронная эмиссия), называются проводниками первого рода. Если в проводниках перемещение заряда выполняется за счет ионов (электролиты), то они называются проводниками второго порядка.

Наибольшее распространение получили металлы, так как они обладают самой лучшей проводимостью, а значит, имеют меньшее сопротивление протекающему электрическому току.

Так, например, жилы всех питающих проводов (шнуров) выполнены из металлов, являющихся проводниками.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют те вещества, которые обладают большим сопротивлением и не пропускают электрический ток либо проводят его в незначительных количествах.

Это обусловлено тем, что в подобных материалах крайне мало находится свободных носителей заряда по причине довольно крепкой атомарной связи. Поэтому при воздействии электрического поля ток в диэлектрике просто отсутствует.

К диэлектрикам относятся такие материалы как: стекло, фарфор, керамика, текстолит, карболит, вода дистиллированная (без солевых примесей), сухое дерево, каучук и т.п.

Диэлектрики так же крайне широко используются в быту. Изоляция проводов, корпуса электроприборов выполнены из диэлектрических материалов.

yandex.ru

Но если создать определенные условия, например, сильно повысить рабочее напряжение, то диэлектрик может стать проводником. Наверняка вы слышали такое выражение как «пробой изоляции».

Главной характеристикой любого диэлектрика считается электрическая прочность (данная величина равна напряжению пробоя).

Что такое полупроводник

Как видно даже из самого названия полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники в изначальном состоянии не пропускают электрический ток, но стоит приложить к полупроводниковому материалу энергию, то полупроводник из диэлектрика превращается в проводник.

Подобные элементы применяются в радиоэлектронике, из них производят транзисторы, тиристоры, диоды, светодиоды и т. д.

Разграничение веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики объясняются с помощью Зонной теории твердых тел. Она, конечно, не всеми принимается просто, но познакомиться с ней крайне желательно.

Зонная теория твердых тел

Итак, различие между диэлектриками, проводниками и полупроводниками можно объяснить зонной теорией. Она звучит так:

Как известно из модели атома Бора в атоме электроны размещены на определенных орбитах

yandex.ru

В кристаллической решетке твердого тела орбиты электронов изменяются под неизбежным влиянием соседних атомов и электронов. И по этой причине происходит смещение энергетических уровней удержания электронов.

С орбит близких к ядру атома электроны могут перейти на другой уровень чисто теоретически, а вот уже с внешних орбит, которые в твердом теле размываются на подуровни, переход электронов между ними может осуществляться довольно легко.

А при приложении электрического потенциала электроны, хаотично перескакивающие по внешним орбитам соседствующих атомов, обретают единый вектор движения и мы наблюдаем электрический ток.

Поэтому нижний слой, где имеются свободно перемещающиеся электроны, называют зоной проводимости.

Валентной зоной называется область разрешенных энергий и располагается она под зоной проводимости.

Для того, чтобы электрон перешел из валентной зоны в зону проводимости, он должен пересечь так называемую запрещенную зону.

Численно она выражается в электрон–вольтах. А энергетические уровни полупроводников, проводников и диэлектриков схематично можно представить следующим образом:

Как видно из рисунка выше у проводника нет запрещенной зоны, то есть валентная зона и зона проводимости имеет область перекрытия. Это значит, что в таком материале даже при незначительном приложении энергии электроны начинают активно перемещаться в пределах тела проводника.

У полупроводника между уровнями присутствует запрещенная зона. Ее ширина показывает, какую энергию нужно приложить к полупроводнику, чтобы электроны начали свое перемещение, то есть стал протекать ток.

А у диэлектрика запрещенная область настолько широка, что переход электронов из валентной области в проводимую практически исключен. Так как потребуется значительная энергия для преодоления этого барьера, которая вызовет разрушение диэлектрика.

Заключение

Это все, что я хотел вам рассказать о диэлектриках, проводниках и полупроводниках. Если вам статья оказалась интересна и полезна, то оцените ее. И спасибо за ваше внимание!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5aef12c13dceb76be76f1bb1/5c11422a220e2000ab355e80

Типы твердых тел: проводники, диэлектрики, полупроводники

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

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

  1. Проводники, в которых запрещенная зона отсутствует (DE = 0), а электропроводность колеблется в пределах 106 -104  Ом-1 · см-1 ;
  2. Диэлектрики (изоляторы), для которых ширина запрещенной зоны составляет DE> 4,0 эВ, а электрическая проводимость — 10-10 -10-12  Ом-1 · см-1 ;
  3. Полупроводники , в которых ширина запрещенной зоны составляет DE = 1,5-2,0 эВ, а электрическая проводимость — 104 -10-10  Ом-1 · см-1 .

Проводники

Проводники имеют частично заполненную валентную зону, которая перекрывается с зоной проводимости.

 Это приводит к способности валентных электронов свободно перемещаться в кристалле или направлено двигаться под действием внешнего поля.

 Отсутствие запрещенной зоны у металлов объясняется тем, что в их кристаллах s- и p-зоны перекрываются, а количество валентных электронов чрезвычайно мало по сравнению с числом свободных орбиталей в валентной зоне.

Спаренные электроны валентной зоны могут свободно переходить с нижних энергетических уровней на свободные уровни, в том числе и на свободные уровни зоны проводимости. Это обеспечивает высокую электропроводность металлов.

 Наибольшую электропроводность, с точки зрения зонной теории, имеют металлы, в которых количество электронов в валентной зоне равно числу электронных уровней в зоне проводимости. При этом условии все электроны могут переходить в квазисвободное состояние и участвовать в переносе электричества.

 К металлам с высокой электропроводностью принадлежат щелочные металлы (Li, Na, K), d-металлы I группы (Cu, Ag, Au), а также металлы II группы (Mg, Ca, Sr, Zn, Cd, Hg), в которых наблюдается перекрытие валентной зоны и зоны проводимости.

Диэлектрики

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

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

Полупроводники

Полупроводники по своей удельной проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

 От проводников они отличаются повышенной зависимостью электропроводности от содержания примесей, от действия различных видов излучения и от температуры: вблизи абсолютного нуля (0 К) полупроводники приобретают свойства диэлектрика, а при росте температуры их электрическая проводимость усиливается.

 От диэлектриков полупроводники отличаются значительно меньшей шириной запрещенной зоны и меньшей величиной энергии, необходимой для отрыва электрона от атома (1,7 · 10-19  Дж / моль против 11,2 · 10-19  Дж / моль).

Возникновение электропроводности в полупроводниках объясняется следующим образом. В полупроводниковых кристаллах атомы соединены между собой ковалентными связями, образованными при перекрытии орбиталей валентных электронов — значит, валентная зона заполнена полностью.

 Но под влиянием внешних факторов (температура, электрическое поле или облучения) некоторые электроны получают энергию, достаточную для отрыва от атомных ядер, и переходят из валентной зоны в зону проводимости.

 За счет этих электронов может происходить перенос электрического тока, обеспечивает n-проводимость — так обозначают проводимость, обусловленную перемещением электронов (от лат. слова negative).

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

В валентной зоне электрон, который размещается рядом с дыркой, перемещается на это свободное место, оставляя после себя новую дырку, на которую передвигается следующий электрон и т.д. Такой дрейф электронов эквивалентен перемещению дыр в противоположном направлении.

 В электрическом поле дырки ведут себя как положительные заряды, но следует еще раз подчеркнуть, что перемещение дырки — это не движение носителя электрического заряда, а результат перескакивание электронов. Это явление получило название p-проводимости (от лат.

слова positive).

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

Если необходимо усилить проводимость n-типа в полупроводник вводят примесные доноры, атомы которых способны отдавать электроны, увеличивая проводимость.

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

При необходимости усиления проводимости р-типа вводят примесные акцепторы, Атомы которых способны повышать дырочную проводимость.

Например, в кристалле Si (с четырьмя электронами на внешнем уровне атома) один из атомов Si замещается атомом бора B, на внешнем энергетическом уровне которого находится только три электрона.

 При образовании атомом бора четырех ковалентных связей с атомами Si возникает дефицит одного электрона в каждом узле кристаллической решетки, содержащий атом B.

При получении таким кристаллом небольшого количества энергии атом бора захватывает электрон из соседнего ковалентной связи, превращаясь в отрицательно заряженный ион, а на месте захваченного электрона возникает дырка. Если поместить кристалл в электрическое поле, то дырка становится как бы носителем заряда. Однако электрическая нейтральность кристалла не нарушается. По отношению к кремнию Si примесными акцепторами могут быть р-элементы III группы, а также Zn, Fe, Mn.

В зависимости от механизма проводимости полупроводники делят на таки типы:

  • электронные полупроводники (n -типа)
  • дырочные полупроводники (p -типа).

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

Простые полупроводники

Они бывают двух типов:

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

Сложные полупроводники

Сложные полупроводники отличаются нестехиометрическим составом и содержат одновременно донорные и акцепторные примеси. При близости концентраций донорных и акцепторных примесей полупроводник называется компенсированным. В зависимости от того, какой компонент является избыточным, сложный полупроводник может проявлять проводимость n- или p- типа.

 К сложным полупроводникам относятся соединения р-элементов III группы с р-элементами V группы (GaP, InP, InSb), p-элементов II группы с элементами V и группы (ZnS, ZnTe, CdSe, CdS), p-элементов IV группы (ShC ).

 Известно много полупроводников более сложной природы (GaAsxP1-x , InxGa1-xSb, ZnS1± x ), в которых варьирование проводимости достигается за счет изменения соотношения атомов металла и неметалла в кристалле.

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

Источник: https://www.polnaja-jenciklopedija.ru/nauka-i-tehnika/tipy-tverdyh-tel-provodniki-dielektriki-poluprovodniki.html

Kvant. Диэлектрики, полупроводники

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

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.

Рис. 1

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[1].

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.

Полуметаллы

Рис. 5

Это вещества, в которых между зоной проводимости и валентной зоной зазор отсутствует, так что они слегка перекрываются (рис. 5). В таких веществах уже при нулевой температуре имеется небольшое количество электронов и дырок, но электропроводность их очень слабо зависит от температуры.

Полуметаллы в природе встречаются редко, из них наиболее известны висмут, сурьма и их сплавы.

Металлы

Рис. 6

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 [2]!

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.

Примечания

  1. ↑ Орбита в квантовой механике, в отличие от классической, понятие условное. Об определенной «размытой» орбите электрона можно говорить лишь приближенно, и ее замкнутость означает только то, что электрон «в среднем» находится на определенном расстоянии от ядра.
  2. ↑ Мы не касаемся здесь сверхпроводников, которые теряют сопротивление при температурах, отличных от абсолютного нуля.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/Kvant._%D0%94%D0%B8%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%BA%D0%B8,_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики
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 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.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

Источник: https://samelectrik.ru/chto-takoe-provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki.html

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы.

Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле.

Полное электрическое поле E→ включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E0→ и внутреннее поле E'→ которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.