Проводники, диэлектрики и полупроводники презентация, доклад
Полупроводники
Prezentacii.com
Содержание
Проводники, диэлектрики и полупроводники.
Собственная (электронно-дырочная) электрическая проводимость.
Примесная (электронно-дырочная) электрическая проводимость.
Электронно-дырочный переход. Контакт двух полупроводников с р- и n- проводимостью.
P- n переход и его свойство.
Строение полупроводникового диода.
Вольт — амперная характеристика полупроводникового диода.
* * * *
Применение полупроводников (выпрямление переменного тока)*.
Однополупериодное выпрямление переменного тока.*
Двухполупериодное выпрямление переменного тока.*
Светодиоды*.
В данную версию презентации включены 25 слайдов из 40, просмотр некоторых из них ограничен.
Презентация носит демонстрационный характер. Полная версии презентации содержит практически весь материал по теме «Полупроводники», а также дополнительный материал, который следует более детально изучить в профильном физико-математическом классе.
Полную версию презентации можно скачать на сайте автора LSLSm.narod.ru.
Полупроводники
Непроводники
(диэлектрики)
Проводники
Прежде всего поясним само понятие – полупроводник.
По способности проводить электрические заряды вещества условно делятся на проводники и непроводники электричества.
Тела и вещества, в которых можно создавать
электрический ток, называют проводниками.
Тела и вещества, в которых нельзя создавать
электрический ток , называют
непроводниками тока.
Металлы , уголь, кислоты,
растворы солей, щелочи,
живые организмы
и многие другие тела и вещества.
Воздух, стекло, парафин, слюда,
лаки, фарфор, резина, пластмассы,
различные смолы,
маслянистые жидкости,
сухое дерево, сухая ткань,
бумага и другие вещества.
Проводники
Непроводники
(диэлектрики)
Полупроводники по электропроводности занимают
промежуточное место между проводниками и непроводниками.
Бор B, углерод C, кремний Si фосфор Р, сера S, германий Ge, мышьяк As, селен Se, олово Sn, сурьма Sb, теллур Te и йод I.
Полупроводники — это ряд элементов таблицы Менделеева, большинство минералов, различные окислы, сульфиды,
теллуриды и другие химические соединения.
Полупроводники
Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра по стабильным орбитам.
Электронная оболочка атома германия состоит из 32 электронов, четыре из которых вращаются по его внешней орбите.
Ge
Электронная оболочка атома
Ядро атома
Сколько электронов у атома германия?
Четыре внешних электрона, называемые валентными, существенным образом определяют атома германия. Атом германия стремится приобрести устойчивую структуру, присущую атомам инертных газов и отличающуюся тем, что на внешней их орбите находится всегда строго определенное число электронов (например, 2, 8, 18 и т. д.).Таким образом, для приобретения подобной структуры атому германия потребовалось бы принять на внешнюю орбиту еще четыре электрона.
Собственная
(электронно-дырочная) электрическая проводимость.
Т
ρ
ρ0
•
При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости).
Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок.
ρмет = f(Т)
ρполуп = f(Т)
Повысим температуру полупроводника.
Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.
При увеличении температуры полупроводника в единицу времени образуется большее количество электронно-дырочных пар.
?
Зависимость удельного сопротивления ρ металла от абсолютной температуры T
Собственная электрическая проводимость
Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т.
е. без примесей) полупроводников и поэтому называется собственной электрической проводимостью.
Собственная (электронно-дырочная) электрическая проводимость.
Примесная (электронно-дырочная) электрическая проводимость.
Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью.
Примесная (электронная)
электрическая проводимость.
Примесная (дырочная)
электрическая проводимость.
Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.
Примесными центрами могут быть:
атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;
избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;
различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.
Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).
Дальнейшее содержание слайда
в полной версии презентации.
Электронно-дырочный переход
Полупроводник с избыточными электронами проводимости называют полупроводником n-типа, с избыточными дырками полупроводником р-типа.
Электрическая проводимость р-типа определяется дырками, поэтому их называют здесь основными носителями заряда, а электроны проводимости — не основными. В полупроводнике n-типа — наоборот.
Дальнейшее содержание слайда
в полной версии презентации.
Дальнейшее содержание слайда
в полной версии презентации.
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.
Изображают полупроводниковые диоды на электрических схемах в виде треугольника и отрезка, проведенного через одну из его вершин параллельно противолежащей стороне. В зависимости от назначения диода его обозначение может содержать дополнительные символы. В любом случае острая вершина треугольника указывает на направление протекания прямого тока через диод. Треугольник соответствует р-области и называется иногда анодом, или эмиттером, а прямолинейный отрезок — n-области и называется катодом, или базой.
База Б
Эмиттер Э
Строение полупроводникового диода
По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными или точечными.
Как правило, диоды изготавливают из кристалла германия или кремния, с проводимостью n-типа. В одну из поверхностей кристалла вплавляют каплю индия. Вследствие диффузии атомов индия в глубь второго кристалла, в нём образуется область p-типа. Остальная часть кристалла по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между ними и возникает p-n — переход. Для предотвращения воздействия влаги и света, а также для прочности кристалл заключают в корпус, снабжая контактами. Германиевые и кремниевые диоды могут работать в разных интервалах температур и с токами различной силы и напряжения.
Вольт — амперная характеристика полупроводникового диода
Прямой ток
Обратный ток
Пробой
U, В
I, мA
Объясняется это тем, что электроны приобретают большую скорость и, ударяясь об атомы, выбивают их них электроны. Если напряжение не увеличивать, диод останется исправным.
Если же продолжать увеличивать напряжение, то электрический пробой переходит в тепловой пробой. Это значит, что диод нагревается, и ток резко увеличивается за счет выхода электронов из своих атомов при повышении температуры. Тепловой пробой разрушает полупроводник, диод неисправен.
Обратный ток очень мал и почти не зависит от величины обратного напряжения, т. к. он образован дрейфовым током (не основными носителями зарядов). Но при определенном напряжении обратный ток резко возрастает. Это явление называется электрическим пробоем.
Переменный ток
Переменный ток
Рассмотрим понятие «переменный ток» на самом простом уровне.
Переме́нный ток — электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению.
Чем быстрее вращается рамка, тем больше частота переменного тока.
В электроэнергетических системах России и большинства стран мира принята стандартная частота f = 50 Гц, в США 60 Гц .
В технике связи применяются переменный ток высокой частоты (от 100 кГц до 30 ГГц). Для специальных целей в промышленности, медицине и др. отраслях науки и техники используют переменный ток самых различных частот.
I
I
t
t
T
Синусоидальный характер
Т – период переменного тока. Это наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются
Выпрямление переменного тока
+
—
~
Rн
+
—
I
I
t
t
T/2
Далее процесс повторяется…
Переменный ток
Дальнейшее содержание слайда
в полной версии презентации.
Светодиоды
Дополнительный материал.
Разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором
Принципиальное различие между Проводником, Полупроводником и Изолятором зависит от их уровня проводимости. Проводники — это материалы, которые обеспечивают легкое протекание электрического тока, следовательно, имеют высокую проводимость, Полупроводники — это материалы, которые обладают умеренной проводимостью, тогда как изоляторы являются материалами, которые препятствуют прохождению заряда через них, и тем самым имеют низкую проводимость.
Проводимость твердых веществ является основным фактором, который отличает эти три материала и различия в их проводимости объясняет Теория электронных зон. Кроме того, проводники — имеют очень низкое сопротивление, полупроводники — чистые полупроводники имеют очень высокое сопротивление, а изоляторы — имеют чрезвычайно высокое сопротивление. Однако, существуют некоторые другие различия между Проводником, Полупроводником и Изолятором.
Содержание
- Обзор и основные отличия
- Зонная теория проводимости
- Проводники
- Изоляторы
- Полупроводники
- В чем разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором
- Заключение
1yybu3dxauk.0.0.0.1:0.2.0.$0.$0″>Зонная теория проводимостиЭлектроны вращаются вокруг положительного ядра отдельного атома на допустимых уровнях энергии, как показано серыми линиями слева на диаграмме ниже. В большом наборе атомов, например металлической проволоке или полупроводниковом кристалле, энергетические уровни реорганизуются в две зоны. Зона проводимости — это зона высших энергетических уровней электронов, а валентная зона — это зона нижних энергетических уровней электронов. В энергетической «щели» между зонами электроны не могут существовать.
С левой стороны расположены горизонтальные линии, которые располагаются ближе друг к другу при увеличении уровней энергииПроводимость — это движение электронов в твердом теле. Для существования проводимости электроны должны свободно перемещаться в зоне проводимости и должны быть пространства в энергетических зонах для перемещения электронов.
Проводники
В проводнике отсутствуют запрещенные зоны между валентной и проводящей зонами. В некоторых металлах зоны проводимости и валентности частично перекрываются. Это означает, что электроны могут свободно перемещаться между валентной зоной и зоной проводимости.
Зона проводимости заполнена только частично. Это означает, что есть места для перемещения электронов. Когда электроны для валентной зоны движутся в зону проводимости, они могут свободно двигаться. Это позволяет проводнику проводить электрический ток.
Зоны в проводникахИзоляторы
Изолятор имеет большой зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Валентная зона заполнена, так как никакие электроны не могут подняться до зоны проводимости.
В результате зона проводимости становится пустой. Поскольку в зоне проводимости изолятора нет электронов, а в этой зоне проводимости могут легко перемещаться только электроны, материал не может проводить электрический ток.
Полупроводники
В полупроводнике зазор между валентной зоной и зоной проводимости меньше. При комнатной температуре достаточно энергии для перемещения некоторых электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это позволяет иметь некоторую проводимость. Повышение температуры увеличивает проводимость полупроводника, потому что больше электронов будет иметь достаточно энергии для перемещения в зону проводимости.
Зоны в полупроводникахРазница между изоляторами и полупроводниками обусловлена небольшим количеством примесей, добавляемых в полупроводник, что влияет на энергетические зоны.
Этот процесс называется легированием.
Полупроводниковые материалы.
Элементы, которые используются в качестве полупроводников, такие как кремний и германий, имеют четыре электрона на внешней оболочке. Это означает, что они могут образовывать четыре связи с другими одинаковыми атомами. В кристалле чистого кремния каждый атом кремния окружен четырьмя другими атомами кремния. В этом состоянии кремний не будет проводить.
Полупроводник с p-n переходомЧистый кремний может быть легирован незначительными количествами примесей путем диффузии примесей в виде газа в жидкий полупроводник до его кристаллизации.
Полупроводники n-типа
Если примесный элемент с пятью электронами внешней оболочки, такой как мышьяк, добавить в кремний в небольших количествах (примерно от одного примесного атома на каждый миллион атомов кремния), то примесные атомы будут вписываться в кристаллическую структуру.
Дополнительный электрон внешней оболочки не будет связан с валентной зоной кристалла. Это легирование влияет на способность электронов перемещаться между энергетическими зонами. При этом в зоне проводимости доступно больше электронов.
Эта примесь заставляет материал проводить и называется полупроводник n-типа. n-тип относится к отрицательному заряду дополнительного электрона.
Полупроводник n-типаПолупроводники p-типа
Если примесный элемент с тремя электронами внешней оболочки, такой как индий, добавляется в кремний в одинаковых малых количествах, примесные атомы будут вписываться в кристаллическую структуру, но при этом пропадет один электрон. Это легирование дает больше места для электронов выше валентной зоны.
Это увеличивает проводимость материала.
Эта примесь заставляет материал проводить и называется полупроводник p-типа. р-тип относится к небольшому положительному заряду зазора, вызванному отсутствием электрона.
Полупроводник p-типаПолупроводники n-типа и p-типа не имеют общего электрического заряда. Протоны в примесных атомах уравновешивают любое увеличение или уменьшение числа электронов в легированном полупроводнике.
Раздел 1. Проводимость — Основы цифровой схемотехники
Раздел 1. Проводимость
|
Различают проводники первого и второго рода. 
Для заземляющих проводников используют обычно сталь. Если необходимы гибкие перемычки и в других случаях, применяют медь.
Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением t°C увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление.
Проводники технологий: как Китай и Америка воюют за рынок микросхем
США блокируют сделки по приобретению китайскими компаниями полупроводниковых компаний. Ассиметричный ответ Китая – выделение субсидий иностранным компаниям
По масштабам высокотехнологичного производства можно судить о технологическом уровне государства. Доля высокотехнологичного производства в ВВП США составляет всего 3%, при этом высокотехнологичная промышленность финансирует примерно половину американского бизнеса в области НИОКР.
По объему производства в высокотехнологичных областях Китай вплотную приблизился к США и, возможно, превзойдет этот уровень в ближайшее время. Согласно данным IHS Global Insight, World Industry Service database (2014), размер мирового рынка высокотехнологичной промышленной продукции в 2014 году составлял $1,8 трлн. Доля КНР в высокотехнологичных отраслях промышленности составляла 27%, а доля США – 29%.
Производство полупроводников — стратегическая отрасль промышленности. Прогресс в полупроводниковой отрасли открывает новые перспективы в электронике, робототехнике, создает новые бизнесы и отрасли промышленности. Инновации в полупроводниковой отрасли, критичны для военно-промышленного комплекса, обеспечения кибербезопасности государства.
По данным IHS Markit, в 2016 году объем мирового рынка полупроводников составил $352,4 млрд., из них свыше $200 млрд. – рынок Китая, при этом полупроводниковую продукцию на сумму свыше $100 млрд. в год КНР импортирует. Для сравнения, объем экспорта полупроводников США в 2016 году составил $43,1 млрд. – это третья позиция в экспорте продукции промышленного производства США после самолетов и автомобилей и первая позиция в экспорте электроники. На экспорт идет свыше 80% полупроводников, произведенных в США.
Замедление инноваций в полупроводниковой отрасли
Совершенствование технологии ведет к непрерывному уменьшению размеров полупроводниковых схем. Intel планирует начать производство опытных 10-нм процессоров во второй половине 2017, в этом году чиповый гигант планирует представить процессоры на улучшенном 14-нм техпроцессе. Стоимость современной фабрики, обрабатывающей кремниевые пластины диаметром 300 мм в США превышает $12 млрд, а всего лишь 5 лет назад стоимость самого современного завода была ниже $5 млрд.
Чтобы только окупить затраты на строительство новой фабрики по производству пластин 300 мм, компания в течение 10 лет должна генерировать продажи на уровне порядка $24 млн. в неделю. Поэтому многие крупнейшие производители, такие как Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) получают значительную часть дохода, работая на оборудовании прошлого поколения, которое было передовым более 10 лет назад. Сведение к минимуму закупок новых узлов позволяет им поддерживать экономическую эффективность производства.
Для разработки пластин следующего поколения (450 мм) пять крупнейших производителей чипов GlobalFoundries, Samsung, Intel, IBM и TSMC пять лет назад основали консорциум G450C. В январе 2017 года две из пяти компаний вышли из консорциума из-за высоких затрат на реализацию проекта, отодвинув, таким образом, создание кремниевой пластины диаметром 450 мм на неопределенный срок.
Замедление темпов инноваций и вступление полупроводниковой отрасли в более зрелую стадию развития открыло для Китая возможность уменьшить отставание от мировых лидеров. В 13 пятилетнем плане 2015-2020 гг. и плане «Made in China 2025» китайское руководство обозначило развитие собственной полупроводниковой отрасли в качестве стратегического приоритета. Согласно отчету Консультативного совета по науке и технологиям при Президенте США (PCAST), вышедшему в январе 2017, в ближайшие 10 лет Китай планирует потратить $150 млрд государственных средств на создание полупроводниковой промышленности мирового класса.
Блокирование сделок по покупке технологий Китаем со стороны США
Для создания технологической базы новой промышленности, в 2015 году Китай совершил ряд сделок по покупке иностранных компаний – производителей полупроводников на общую сумму $17,14 млрд — 12% от общего объема сделок по слияниям и поглощениям в полупроводниковой отрасли за год. В 2016 году деятельность Китая в области M&A столкнулась с серьезными препятствиями со стороны США.
В январе 2016 года Комитет по иностранным инвестициям в США (CFIUS) заблокировал сделку по приобретению за $3,3 млрд подразделения Philips Lumileds LED, базирующегося в Калифорнии, консорциумом, возглавляемым китайским инвестором GO Scale Capital Ltd.
В феврале 2016 CFIUS заблокировал сделку по приобретению за $3,8 млрд контрольного пакета американской Western Digital китайской компанией Unisplendour. В сентябре 2016 Unisplendour и Western Digital объявили о создании совместного предприятия Unis-WDC Storage Co., где 51% будет принадлежать Unisplendour, а 49% — Western Digital.
Китайские компании делали предложения о покупке американским корпорациям Micron, Fairchild, Lattice Semiconductor, но получили отказ, мотивированный тем, что сделка не будет одобрена CFIUS.
В декабре 2016 президент Обама заблокировал сделку по покупке за $723 млн немецкого производителя полупроводников Aixtron китайским инвестфондом Fujian Grand Chip Investment Fund. Блокирование США покупки не американской, а зарубежной компании не имеет прецедентов в истории Соединенных Штатов.
Технологии в обмен на допуск на рынок Китая
По данным Semiconductor Industry Association, в 2016 году потребление полупроводников в Китае выросло на 9,2%, в то время как потребление в Северной и Южной Америке упало на 4,7%. Производство сместилось в Азию. Американские корпорации, контролирующие половину мирового рынка полупроводников, сосредоточили в США только 13% производства. 55% мирового производства полупроводников на сегодняшний день приходится на Тайвань.
Тайвань также как и США, в 2016 году блокировал покупку своей компании Siliconware Precision Industries Co. китайской корпорацией Tsinghua Unigroup.
Ассиметричный ответ Китая – выделение значительных субсидий на вложенный капитал иностранным компаниям – производителям полупроводников, поощряющие размещение производства в Китае. С другой стороны, компании, не планирующие перемещать производство в КНР, могут столкнуться с ограничительными мерами китайского правительства. В целях укрепления кибербезопасности, например, китайским государственным структурам, бизнес структурам с государственным участием может быть предписано не закупать продукцию компаний, производство которых расположено за пределами КНР. Таким образом, для тех, чье производство находится вне КНР, рынок существенно сужается и, соответственно, повышаются удельные затраты, а для тех, чье производство располагается внутри Китая, создаются благоприятные условия.
Результаты такой политики не заставили себя долго ждать: тайваньские компании Powerchip Technology Corp, TSMC и United Microelectronics Corp. инвестируют в строительство современных фабрик, обрабатывающих кремниевые пластины диаметром 300 мм в китайских городах Hefei, Nanjing и Xiamen. Одновременно с технологиями Китай привлекает из Тайваня высококвалифицированные инженерные кадры. Американская корпорация GlobalFoundries также заявила о строительстве новой фабрики (300 мм) на территории КНР в городе Chengdu.
По оценкам международной промышленной ассоциации, специализирующейся на промышленности в области микро- и наноэлектроники SEMI, до 2020 года в Китае ожидается бум в строительстве фабрик, обрабатывающих кремниевые пластины диаметром 300 мм. Ниже приведена информация по 16 проектам, которые значительно усилят позиции КНР на мировом рынке полупроводников.
Новая полупроводниковая промышленность КНР
Получив тем или иным способом доступ к передовым технологиям, Китай активно развивает собственную полупроводниковую отрасль. Так, например, один из флагманов китайской полупроводниковой индустрии Tsinghua Unigroup Ltd. строит крупнейший в Китае комплекс по производству полупроводников за $30 млрд в городе Nanjing. Крупнейшая китайская компания Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC) строит сразу три фабрики, которые будут обрабатывать кремниевые пластины диаметром 300 мм.
Одновременно со строительством современных фабрик КНР содействуют развитию местных компаний, занимающихся разработкой интегральных микросхем (IC design) и передающих изготовление полупроводниковой продукции на аутсорсинг фабрике. Таким компаниям выделяется финансирование от китайских государственных инвестиционных фондов, на них распространяются налоговые льготы и преференции в получении государственных заказов.
В результате этой политики количество китайских компаний занимающихся проектированием микросхем за два года удвоилось: с 681 в 2014 году до 1362 в 2016 году. По данным China Semiconductor Industry Association, выручка крупнейшей китайской компании, занимающейся разработкой микросхем, HiSilicon Technologies в 2016 году составила $3,76 млрд., за ней следует Unigroup Spreadtrum RDA с выручкой $1,8 млрд.
За последние годы сегмент IC design вырос в пять раз с $5 млрд в 2010 до $25 млрд в 2016 году.
Изменение расстановки сил на мировом рынке полупроводников
Мировой рынок полупроводников никогда не был свободным. Научные исследования и разработки сначала ведутся под патронатом государства, потом их начинает оплачивать рынок. Для тех, кто вышел на рынок позже, стоимость входа будет выше — необходимо дополнительно оплатить ту часть НИОКР, которую финансировал рынок.
Когда стоимость затрат на НИОКР начинает превышать возможности рынка эффективно, с экономической точки зрения, реализовать достижения новых технологий, темпы внедрения инноваций замедляются. На этапе насыщения рынка новые технологии приобретаются через покупку компаний – лидеров соответствующих направлений. В 2015 объем сделок M&A в полупроводниковой отрасли составил около $140 млрд. Сопоставимая сумма сделок M&A в отрасли была и в 2016 году.
Входной билет на рынок полупроводников на этапе насыщения стоит настолько дорого, что запоздавшему игроку выходить на него экономически не эффективно. Такое решение можно делать только по стратегическим соображениям, а это уже уровень государства. Требование от мировых лидеров отрасли к правительству КНР не вмешиваться в рыночные механизмы, регулирующие полупроводниковую промышленность – это попытка закрепить существующую расстановку сил на рынке, вступающем в этап зрелости.
Китай неоднократно доказывал, что покрыть технологическое отставание в отрасли на этапе замедления инноваций – задача выполнимая. Пользуясь уникальными возможностями, которые КНР дает статус «мировой фабрики», Китай собирает на своей территории крупнейших игроков полупроводниковой промышленности и создает огромные по масштабам современные дополнительные мощности, формирует большой пул местных разработчиков интегральных микросхем. Глобальные компании, к которым Китай сможет приблизиться технологически, будут вытеснены с рынка его экономической мощью за счет жесткой ценовой конкуренции. Низкие цены на полупроводниковую продукцию сделают экономически неэффективными инвестиции в создание полупроводников следующего поколения в обозримом будущем.
В качестве ответа на вызов Китая Консультативный совета по науке и технологиям при Президенте США (PCAST) в январе 2017 определил направления, развитие которых могло бы обеспечить долгосрочное лидерства США в полупроводниковой отрасли. В их числе — разработка доступных способов изготовления полупроводников, которые пришли бы на смену кремниевым фабрикам за миллиарды долларов и давали бы возможность производить небольшие партии продукции
Изоляторы, проводники и полупроводники: типы, формы, принцип работы
Определение слова изоляторБыстрое чтениепоказывать
1. Определение слова изолятор
2.ФОРМЫ ИЗОЛЯТОРА
2.1.1. ТВЕРДЫЙ
2.2.2. ЖИДКОСТЬ
2.3.3. ГАЗ
3.ИЗОЛЯТОРНЫЙ МАТЕРИАЛ
3.1.Y класс
3.2.Класс А
3.3.Класс E
3.4.Класс B
3.5.Класс F
3.6.H класс
3.7.Класс C
4.Определение дирижера (Conductor)
4.1.Характеристики проводника
4.2.Критерии материала проводника
4.3.Свойства материала проводника:
4.4.Различные материалы проводников
5.Определение полупроводника
5.1.Основные принципы полупроводников
5.2.Полупроводниковая атомная система
5.3.Основной полупроводниковый материал
6.Виды полупроводников
6.1.Внутренний полупроводник
6.2.p. тип полупроводника
6.3.Как работают полупроводники
6.4.Поделись этим:
Изолятор — это материал, который не может или с трудом переносит электрический заряд, имеет свойство изолировать электрический ток. Имеет очень большое электрическое сопротивление (сопротивление).
Расположение атомов таково, что валентным электронам трудно перемещаться из валентной зоны в зону проводимости из-за очень большой запрещенной зоны. Если происходит перенос электронов из валентной зоны в зону проводимости, другими словами, возникает напряжение пробоя.
instagram viewer
ФОРМЫ ИЗОЛЯТОРА
Как и общее состояние объектов, изолирующие пломбы имеют схожие формы, а именно:
1. ТВЕРДЫЙ
Твердые тела различают по группам, а именно:
а) МАТЕРИАЛ
- Мрамор
Качество определяется его плотностью и натиранием. Чем плотнее и скользче, тем меньше водопоглощение. Поскольку его легко сломать и он тяжелый, в настоящее время он менее широко используется.
- Асбест
Асбест — волокнистый материал, непрочный и легко разрушаемый. Плохой изолятор. Его особенность в том, что его нельзя обжечь, поэтому он может выдерживать высокую температуру. Широко используется в бытовых электроприборах, таких как электрические утюги, электроплиты и другие нагревательные устройства.
- Слюда
Технические данные: Электрическая изоляция и механическая прочность очень высокие и эластичные. Высокая термостойкость (не до сотен градусов) и хорошая водонепроницаемость. Очень легкий и чистый (прозрачный). Широко используется в бытовых электроприборах, таких как электрические утюги, электроплиты и другие нагревательные устройства.
- Миканит
Миканит — это слюда, изменившая форму и состав материала. Слегка густой. Обычно используется на коммутаторе.
- Микафолиум
Разновидность миканита и в качестве материала используется поверх тонкого слоя бумаги. Легко гнуть с утеплителем. Обычно используется для наматывания спиральной проволоки или стержней в качестве изолятора в электрических машинах высокого напряжения.
- Микалек
В качестве основных материалов используются стекло и пластик. Наполнитель — слюдяной порошок. Высокая механическая прочность и часто используется в металлических (ртутных) выпрямителях, радиооборудовании и электроэнергетике. Mikalek — лучшая слюда, поэтому она может соответствовать требованиям, необходимым в качестве изолятора.
б) ВОЛОКОННЫЙ МАТЕРИАЛ
На самом деле этот материал не очень хорош, потому что он очень водопоглощающий. Несколько примеров:
- Пряжа
Фактически, он используется не только как изолятор, но, скорее всего, будет использоваться в качестве наполнителя кабеля, особенно заземляющего кабеля.
- Текстиль
Из пряжи, вплетенной в ленты, и тканей различного рисунка, размера и качества. Текстильные материалы используются в электротехнике как изоляторы для намотки проводов в электрических машинах, связующие и т. Д. Поскольку он впитывает жидкость, для улучшения изоляционных свойств его покрывают или погружают в изолирующий лак.
- Бумага
Бумага — это изоляционный материал с содержанием щелочи, имеющий высокую цену. Желтого или светло-коричневого цвета. Прочность бумаги зависит от содержания в ней воды. Чтобы избежать этого, бумагу покрывают герметизирующим лаком. Обычно используется в катушках проводов, катушках, изоляции кабелей и бумажных конденсаторах. Обычно имеют определенную толщину.
- Преспан
По сравнению с бумагой, prespan более плотный, поэтому он меньше впитывает воду.
- Древесина
В древности его часто использовали для электрических столбов. Древесина может быть повреждена из-за биологических факторов, поэтому, чтобы она прослужила дольше, древесину необходимо сначала сохранить. Древесину также необходимо сжать, чтобы снизить ее влажность.
в) СТЕКЛО И КЕРАМИКА
- Стекло
Это хороший изолятор электричества, но он очень хрупкий. Обычно используются при изготовлении ламп накаливания.
- керамика
Керамика обладает высокой изоляционной способностью. Обычно делают из фарфора и стеатита.
- Стеатит
Внутри коробки переключателя и прокола. Обычно также изготовление бусинок для изоляции соединительных проводов, которые могут гнуться и располагаются рядом с электронагревательными приборами.
- фарфор
Это важный материал для изоляции, поскольку он обладает очень большой механической прочностью. Для изготовления частей изоляции электрооборудования, которые должны выдерживать большие сжимающие усилия, очень хорош фарфор. Вода не впитывается из-за эмали на поверхности.
г) ПЛАСТИКОВЫЕ
К хорошим свойствам пластиковых материалов относятся: легкий вес, низкая теплопроводность, водостойкость и высокая изоляционная способность. Пластик не подходит для работы с более горячими материалами. Существует 2 вида пластика, а именно:
- Термопластик
При температуре 60 градусов он стал мягким. Нагревание до плавления не меняет химическую структуру.
- Термореактивный пластик.
Этот материал подвергся процессу разжижения, был отформован и претерпевает изменения в химической структуре, поэтому он не может размягчиться даже при нагревании.
д) РЕЗИНА И ЭБОНИТ
- Резинка
Он эластичный и полезный, чтобы выдерживать столкновения. Он используется в качестве изолятора для электропроводности, использования резиновых труб для изоляции кабельных башмаков и упаковки кабеля.
- Эбонит
Можно гнуть в кипящей воде, подпиливать, сверлить и точить. Устойчив к кислотам и используется как аккумуляторная ванна. Не впитывает воду. Не выдерживает жары.
е) СОСТАВЛЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
- Свечи и парафин
Он быстро тает, обладает свойством не впитывать воду, и это дает множество результатов, что делает его одним из полезных материалов для электроизоляции, даже несмотря на то, что температура плавления относительно низкая. Обычно используется в конденсаторах или в слабых токах.
2. ЖИДКОСТЬ
- Трансформаторное масло
Требуется как охлаждающая жидкость в трансформаторе из-за намотки провода. Без охлаждения приведет к повреждению изоляции сердечника, обмоток и некоторых частей.
- Кабельное масло
Обычно делается концентрированным и для добавления в концентрацию можно смешивать со смолой. Используется для уплотнения бумажной изоляции силовых кабелей, кабелей заземления, особенно кабелей высокого напряжения.
3. ГАЗ
- Азот
Используется в качестве контроллера для зарядных / распределительных кабельных каналов, чтобы определить, хороша ли изоляция кабеля. Особенно на заземляющих проводах, где часто возникают ржавчина, царапины и трещины на свинце.
- Водород
Водород используется в качестве теплоносителя для турбогенераторов и синхронных конденсаторов. Хотя как охладитель это еще и изолятор тепла и электричества.
- Углекислый газ
Используется в турбогенераторах. Обладает противопожарными свойствами. В качестве безопасности при смешивании водорода и воздуха, которое может вызвать взрыв.
ИЗОЛЯТОРНЫЙ МАТЕРИАЛ
Классификация изоляционных материалов по максимальной рабочей температуре:
| Класс | Максимальная рабочая температура |
| Y | 90 ° С |
| А | 105 ° С |
| E | 120 ° С |
| B | 130 ° С |
| F | 155 ° С |
| ЧАС | 180 ° С |
| C | выше 180 ° C |
Y класс
К классу Y можно отнести: хлопок, натуральный шелк, синтетическую шерсть, вискозу, полиамидное волокно, бумагу, пряжу, дерево, полиакрит, полиэтилен, поливинил, каучук.
Класс А
К классу А можно отнести: волокнистый материал класса Y, погруженный в лак, асфальт, трансформаторное масло, эмаль, смешанную с лаком и полиамидом.
Класс E
К классу E можно отнести: изоляция эмалевого провода с использованием связующих на основе формального поливинила, полиуретана и эпоксидной смолы. и другие аналогичные связующие с целлюлозными наполнителями, пертинакс и текстолит, триацетатные пленки, пленки из полиэтилентерефталатных волокон.
Класс B
К классу B можно отнести: неорганические материалы (слюда, стекло, волокно, асбест), окрашенные или склеенные лаком или компаундом, битум, сирлак, бакелит и т. Д.
Класс F
К классу F можно отнести неорганические материалы, окрашенные и склеенные вместе высокотермостойкой эпоксидной смолой, полиуретаном или лаком.
H класс
К классу H можно отнести: все композиционные материалы с основными ингредиентами — слюдой, асбестом. и стекловолокно, смоченное в силиконе без смеси волокнистых материалов (бумага, хлопок и так далее). К этому классу относятся силиконовая резина и проволочная эмаль из чистого полиамида.
Класс C
К классу C можно отнести: неорганические материалы, не окрашенные и не связанные веществами. органические материалы, такие как слюда, термостойкий миканит (с использованием неорганических связующих), микалекс, стекло и другие материалы керамика. Только один органический материал, относящийся к классу C, а именно полиэтиленфторэтилин (тефлон).
Определение дирижера (Conductor)
Проводники — хорошие проводники электричества. Этот материал обладает большой электропроводностью и малым электрическим сопротивлением. Электрические проводники используются для проведения электрического тока. Обратите внимание на функцию кабеля, катушки / обмотки на электрическом инструменте, с которым вы столкнетесь. Также на линии передачи / распределения. В электротехнике наиболее распространены медь и алюминий.
Материалы, используемые для проводов, должны соответствовать следующим требованиям.
- Электропроводность неплохая.
- Его механическая прочность (предел прочности) довольно высока.
- Коэффициент расширения небольшой.
- Модуль упругости (модуль упругости) довольно большой.
Материалы, обычно используемые в качестве проводников, включают:
- Обычные металлы, такие как: медь, алюминий, железо и т. Д.
- Легированный металл (сплав), который представляет собой металл из меди или алюминия, смешанный в определенном количестве с другим типом металла, который используется для увеличения его механической прочности.
- Композиционный металл, который представляет собой два или более металла, соединенных сжатием, плавкой или сваркой.
Классификация проводов по конструкции:
- сплошной провод (сплошной провод) круглого сечения.
- Стандартный провод состоит из от 7 до 61 сплошных проводов, скрученных вместе, обычно многослойных и концентрических.
- Полая проволока (полый проводник) — это полая проволока, изготовленная для получения большого внешнего диаметра.
Характеристики проводника
Различают 2 (два) типа характеристик проводников, а именно:
- механические характеристики, которые указывают на физическое состояние проводника, которое выражает предел прочности проводника на растяжение (из SPLN 41-8: 1981, для проводника AAAC-S сечением 70 мм2 при температуре окружающей среды 30 ° C максимальная пропускная способность проводника по току составляет 275 A).
- электрические характеристики, указывающие на способность проводника проводить через него электрический ток (из СПЛН 41-10: 1991, для провод AAAC-S сечением 70 мм2 при температуре окружающей среды 30 ° C, то максимальная способность проводника проводить ток составляет 275 А).
Критерии материала проводника
На проводимость проводящего металла сильно влияют легирующие элементы, примеси или примеси. несовершенства металлических кристаллов, все три из которых играют важную роль в производственном процессе сам отправитель. Направляющие элементы не только влияют на электрическую проводимость, но и влияют на другие механические и физические свойства. Чистые металлы имеют лучшую электропроводность, чем металлы более низкой чистоты. Однако механическая прочность чистого металла невысока.
Электропроводники, помимо того, что они требуют высокой проводимости, также требуют определенных механических и физических свойств, которые адаптированы к использованию самого проводника.
Помимо технических проблем, использование металла в качестве проводника также во многом определяется экономической ценностью металла для общества. Поэтому абсолютно необходим компромисс между технической и экономической стоимостью используемого металла. Это самый дешевый компромисс, который определит, какой металл использовать. В настоящее время медь и алюминий являются предпочтительными металлами среди других типов проводящих металлов, которые соответствуют наиболее дешевым экономически-техническим компромиссам.
Из видов проводящих металлов в таблице 1. Выше медь — самый длинный проводник, используемый в электрическом поле. В 1913 году Международная электрохимическая комиссия (МЭК) установила стандарт, который показывает проводимость медной проволоки, которая стала известна как Международный стандарт отожженной меди. (МАКО). Стандарт гласит, что для медной проволоки, размягченной в процессе отжига, она имеет Длина 1 м, площадь поперечного сечения 1 мм2, электрическое сопротивление не более 0,017241 Ом при комнатной температуре. 20оC, как заявлено, имеет 100% -ную электрическую проводимость IACS.
Однако благодаря технологическим достижениям в процессе производства меди, достигнутым сегодня, уровень чистоты меди в проводе проводимости намного выше, чем в 1913 году, то электрическая проводимость медной проволоки сегодня может достигать более 100% МАКО.
Для алюминиевой проволоки электропроводность обычно сравнивают со стандартной медной проволокой. Согласно стандарту ASTM B 609 для алюминиевой проволоки класса EC или серии AA 1350 (*), электропроводность находится в пределах 61,0–61,8% IACS, в зависимости от твердости или условий отпуска. Что касается токопроводящей проволоки из алюминиевого сплава серии AA 6201, согласно стандарту ASTM B 3988 требование к электропроводности не должно быть менее 52,5% IACS. Провод 6201 обычно используется для материала кабеля типа проводник из алюминиевого сплава (AAAC).
В дополнение к указанным выше требованиям к электрическим свойствам, таким как электропроводность, требуются и другие критерии качества: также должны соблюдаться все или часть следующих характеристик или условий: это:
а. химический состав.
б) свойства при растяжении, такие как прочность на разрыв (предел прочности) и деформация при растяжении (удлинение).
- свойства изгиба
- допустимые диаметры и вариации.
- состояние поверхности провода должно быть без дефектов и т. д.
Свойства материала проводника:
Электротехнические материалы обладают важными свойствами, такими как:
- Электрическая проводимость
- Температурный коэффициент сопротивления
- теплопроводность
- Прочность на растяжение и
- Появление термо-электродвигателя мощности
- а)Электрическая проводимость
Ток, протекающий по проводнику, всегда испытывает сопротивление со стороны самого проводника. Величина сопротивления зависит от материала. Сопротивление на метр с площадью поперечного сечения 1 мм2 при температуре 200C называется удельным сопротивлением. Величину удельного сопротивления материала можно рассчитать по формуле:
R = 1 / А
Где :
R: Сопротивление в проводе, единица Ом (Ом)
: сопротивление типа материала, в единицах Ом.мм2 / м
l: длина жилы, единица измерения — метры (м)
А: площадь поперечного сечения токопроводящей жилы, мм.2
- б)Коэффициент барьерной температуры
Мы уже знаем, что материал будет испытывать изменение объема при изменении температуры. Материал будет расширяться при повышении температуры и сжиматься при понижении температуры. Величину изменения сопротивления из-за изменений температуры можно определить по уравнению;
R = R0 {1 + (t — t0)},
Где :
R: большое сопротивление после изменения температуры
R0: начальное сопротивление до изменения температуры.
Q: конечная температура, дюйм 0C
т0: начальная температура, дюйм 0C
: температурный коэффициент сопротивления
Значение удельного сопротивления, удельного веса и температуры плавления различных материалов можно увидеть в таблице 6.1.
| Название материала | Тип заключенного | Удельный вес | Температура плавления |
| Серебро. Медь Кобальт Золото алюминий Молибдин Вольфрам Цинк Латунь Никель Платина Никелин белая жесть Стали Ванадий Висмут Марганец Вести Дюралюминий Манганин Постоянный Меркурий | 0,016. 0,0175 0,022 0,022 0,03 0,05 0,05 0,06 0,07 0,079 0,1 0,12 0,12 0,13 0,13 0,2 0,21 0,22 0,48 0,48 0,5 0,958 | 10,5. 8,9 8,42 19,3 2,56 10,2 19,1 7,1 8,7 8,9 21,5 – 7,3 7,8 5,5 9,85 7,4 11,35 2,8 – 8,9 13,56 | 960. 1083 1480 1063 660 2620 3400 420 1000 1455 1774 – 232 1535 1720 271 1260 330 – – – -38,9 |
Самым широко используемым проводящим материалом является медь, потому что медь является лучшим проводником после серебра, а цена невысока, поскольку она широко доступна повсюду. В последнее время в качестве проводников широко используются алюминий и сталь, хотя удельное сопротивление довольно велико, оно считается очень большим, и цена становится дешевле.
- в) Теплопроводность
Теплопроводность показывает количество тепла, которое проходит через слой материала в единицу времени. Вычисляется в Ккал / час. 0С. Особенно учитываются при использовании электрических машин и их оборудования. В целом металлы имеют высокую теплопроводность, а неметаллы — низкую.
- г)Предел прочности
Механические свойства материалов очень важны, особенно при наземной транспортировке. Следовательно, материал, используемый для этой цели, должен быть известен своей прочностью. Особенно это касается использования в распределительных сетях высокого напряжения. Проводники могут быть твердыми, жидкими или газовыми. В твердой форме проводниками обычно являются металлы, электролиты и жидкий металл (ртуть). жидкий, ионизированный воздух и благородные газы (неон), криптон и др.) газ.
- д) Производство энергии термо-электродвигателя.
Это свойство очень важно для двух точек соприкосновения из двух разных металлов, потому что В цепи ток будет вызывать собственную мощность термо-электродвигателя при изменении температуры. температура.
Мощность термоэлектродвигателя может быть выше, поэтому настройки тока и напряжения могут отличаться, даже если они очень малы. Величина разницы в генерируемом напряжении зависит от свойств двух используемых материалов и пропорциональна разнице температур. Мощность электродвигателя, генерируемая разницей температур, называется мощностью термо-электродвигателя.
Различные материалы проводников
Функция проводника в электротехнике заключается в распределении электрической энергии, то есть в распределении электрической энергии от одной точки к другой. Обычно используемые проводники включают:
Медь и алюминий. Некоторые из сохранившихся дирижеров и их актуальность включают:
- алюминий
Чистый алюминий имеет плотность 2,7 г / см.3 , температура плавления составляет 658 ° C и не вызывает коррозии. Электропроводность алюминия составляет 35 м / ом.мм2 или примерно 61,4% от проводимости меди. Алюминий имеет мягкую форму, его предел прочности составляет всего 9 км / мм2. По этой причине, если алюминий используется в качестве проводника с достаточно большими размерами, его всегда армируют сталью или алюминиевым сплавом. Такое использование, например, на: ACSR (алюминиевый проводник, армированный сталью). Конструкция проводника из алюминия и стали показана на Рисунке 6.1.
Другое использование алюминия — это бустар, и по определенным причинам, например, для экономии, изготавливаются изолированные алюминиевые проводники, такие как: ACSR — OW. Согласно ASA (Американская ассоциация стандартов), алюминиевые сплавы имеют маркировку в следующей таблице:
Таблица 6.1 Маркировка алюминиевого сплава
| Название материала | Финансирование |
| Алюминий (чистота не менее 99%) Большинство сплавов состоят из: Медь Марганец Силикон Магний Магний и кремний Цинк Так далее Неиспользованная серия | 1ххх. 2ххх 3ххх 4ххх 5ххх 6ххх 7ххх 8ххх 9ххх |
- Медь
Медь обладает высокой электропроводностью 57 мм.2/ м в 20 оС. Температурный коэффициент меди 0,004 на оС. Кривая удельного сопротивления меди в зависимости от температуры не является линейной.
Наиболее важное применение меди в электротехнике — это проводник, например: проволока. изолированный (NYA, NYAF), кабель (NYM, NYY, NYFGbY), шина, пластина двигателя постоянного тока, тормозное кольцо на двигателе переменного тока и и т.п. Медь обладает стойкостью к коррозии и окислению. Плотность чистой меди при 200C 8,96 г / см3, точка замерзания 10830С. Предел прочности меди невысокий — от 20 до 40 кг / мм2, предел прочности прутка медь поднимется после того, как медный стержень уменьшится в поперечном сечении, чтобы использовать его в качестве изолированного провода или кабель. Как уменьшить поперечное сечение медной катанки до проволоки с помощью съемника.
Для уменьшения поперечного сечения медного прутка используется растяжной камень.умри), которые различаются по размеру, тем меньше сечение точилки. Чем меньше требуется поперечное сечение проволоки, тем больше используется ступенек из камня. В качестве растяжимого каменного материала для изготовления проволоки достаточно большого диаметра используется карбид вольфрама, а для изготовления проволоки малого диаметра — алмаз. Во время вывода будет увеличение длины. По этой причине тяговое колесо, установленное за тяговым камнем, имеет круглый или больший диаметр.
После затягивания медного стержня в проволоку медь станет более пластичной. Это условие не подходит для использования в качестве изолированного провода или кабеля. Чтобы медь снова стала мягкой, ее нужно нагреть. Однако во время процесса вывода необходимо соблюдать осторожность, чтобы не произошло окисления. После завершения процесса нагрева можно приступать к изготовлению изолированного провода или кабеля.
Для проводов с поперечным сечением менее 16 мм2 используются одножильные проводники, а для проводов с поперечным сечением> 16 мм2 используются скрученные волоконно-оптические проводники. Обеспечение изоляции на изолированном проводе.
Проволока из катушки A протягивается через экструдер B. затем ПВХ, который выходит из C, охлаждается в охлаждающей ванне D. Изолированный провод вне D испытывают искровым испытанием E, вытягивают съемником F и затем скручивают роликом G.
- Стали
Сталь — это металл, сделанный из железа со смесью углерода. В зависимости от состава углеродистой смеси сталь подразделяется на три типа, а именно: низкоуглеродистую сталь ( 0-25%), сталь со средним содержанием углерода (0,25-0,55%) и сталь с высоким содержанием углерода (более 0,55%). %). Несмотря на низкую проводимость стали, а именно:
но он используется в проводниках передачи, а именно ACSR, где функция стали в этом случае заключается в механическом упрочнении алюминиевого проводника после гальванизации цинком. Преимущество использования стали в ACSR заключается в экономии алюминия. Исходя из вышеизложенных соображений, биметаллический проводник (отличающийся от термического биметалла безопасностью) изготавливается, как показано на рисунке 6.5.
К преимуществам использования биметаллического проводника можно отнести:
- В переменном токе ток имеет тенденцию проходить через внешнюю часть проводника (скин-эффект).
- Покрытие стали медью защищает сталь как проводник от коррозии. Биметаллические жилы используются помимо токопроводящих проводов для сборных шин, соединительных ножей и прочего.
- Вольфрам
Этот металл серо-белого цвета, имеет плотность 20 г / см3, температуру плавления 34100C, точка кипения 59000C,? = 4.4.10–6 за 0 C, удельное сопротивление 0,055? мм2 / м. Вольфрам получают из шахт, разделенных магнитными или химическими процессами. При реакции восстановления вольфрамовой кислоты (h3WO4) при температуре 7000C получен вольфрамовый порошок. Затем из порошка вольфрама формируются слитки с помощью процесса, называемого порошковой металлургией, при котором используются высокое давление и температура (2000 атм, 1600 атм).0В) без окисления. С помощью вытяжной машины диаметр вольфрамового стержня можно уменьшить до 0,01 мм (вытягивание осуществляется в горячих условиях). Использование walfram в электротехнике, в частности, для: нитей накаливания (лампы накаливания, галогенные лампы, двойные лампы), электродов, электронных ламп и т. Д.
- Молибден
Свойства этого металла аналогичны вольфраму, как и способы его получения. Молибден имеет плотность 10,2 г / см3, температуру плавления 2620 г.0C, точка кипения 37000C,? = 53. 10–7 чел. 0 C, удельное сопротивление 0,048? мм2 / м, температурный коэффициент 0,0047 на 0 С. Использование молибдена, среди прочего: рентгеновская трубка, вакуумная трубка, потому что молибден может образовывать прочный слой со стеклом. В качестве металлического сплава используется для изготовления прочных, устойчивых к коррозии деталей, работающих при высоких температурах.
- Платина
Платина — это тяжелый металл серовато-белого цвета, не вызывает коррозии, трудно плавится и устойчив к большинству химикатов. Плотность 21,4 г / см3, температура плавления 1775 г.0C, температура кипения 45300C,? = 9. 10–6 чел. 0 C, удельное сопротивление 0,1? мм2 / м, температурный коэффициент 0,00307 на 0 С. Платина может быть сформирована в виде тонких нитей и тонких стержней.
Использование платины в электротехнике, среди прочего, для нагревательных элементов в лабораториях духовок или горелок, требующих высоких температур, превышающих 1300 ° С.0C, для платино-родиевой термопары (работа выше 16000C), платина диаметром +1 микрон используется для подвешивания движущихся частей на электросчетчиках и других чувствительных инструментах, а также для материалов потенциометров. Ниже приводится таблица констант для проводящих материалов.
- Меркурий
Ртуть — единственный металл, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре. Удельное сопротивление составляет 0,95 Ом. мм2 / м, температурный коэффициент 0,00027 на 0 С. При нагревании на воздухе ртуть очень легко окисляется. Ртуть и ее специальные смеси паров ртути токсичны. Использование ртути включает: газ для наполнения электронных трубок, разъемы на ртутных переключателях, жидкость в диффузионных насосах, электроды на приборах для измерения электрических свойств диэлектрических материалов твердый. Другие логаны, которые также широко используются в электротехнике, включают тантал и ниобий.
Тантал и ниобий в сочетании с алюминием широко используются в качестве электролитических конденсаторов.
- Материалы с высоким удельным сопротивлением
Материал с высоким удельным сопротивлением, используемый для оборудования, которое требует большого сопротивления, поэтому при подаче электрического тока будет большое падение напряжения. Примеры использования материалов с высоким удельным сопротивлением включают: в электрических нагревателях, реостатах и резисторах. Эти материалы должны иметь низкий температурный коэффициент. У ТЭНов при высоких температурах долгое время не должно происходить окисления и плавления.
К материалам с высоким удельным сопротивлением относятся: константан, марганец, никель и фехраль, состав которых приведен в таблице 6.3.
Таблица 6.3 Материалы с высоким сопротивлением
| Название сплава | Состав. (%) | Масса. тип | удельное сопротивление. ? мм2 / м | температурный коэффициент. 10– 5 чел. 0 C |
| Постоянный. хромель Манганин нихром Фехраль Никель | 60 Cu, 40 Ni. 0,7 Mn, 0,6 Ni, 23-27 Cr, 4,5-6,5 Al + Fe 86 Cu, 12 Mn, 2 Ni 1,5 Mn, 75-78 Ni, 20-23 Cr, остальное Fe 0,7 Mn, 0,6 Ni, 12-15 Cr, 3,5-5 Al, остальное Fe 54 Cu, 26 Ni, 20 Zn | 8,9. 6,9 – 7,3 8,4 8,4 – 8,5 7,1 – 7,5 – | 0,48 – 0,52. 1,3 – 1,5 0,42 – 0,48 1 – 1,1 1,2 – 1,35 0,4 – 0,47 | 5,25. 6,5 5,3 10 – 20 10 – 12 23 |
- Вести
Свинец имеет плотность 11,4 г / см3, слегка мягкий, плавится при 327 ° С.0C, точка кипения 15600C, серого цвета, очень пластичный, устойчивый к коррозии материал с проводимостью 4,5 м /? .мм2. Свинец используется в электротехнике, в том числе в аккумуляторных ячейках, оболочках заземляющих кабелей, а также в качестве защиты в атомной промышленности. Свинец не устойчив к вибрационным воздействиям и легко связывается с остаточными кислотами. Для использования в качестве защиты кабеля заземления, если он установлен в этом месте, необходима дополнительная защита. Мокрая известь, морская вода и влажный цемент могут вступать в реакцию со свинцом. Вот почему в дополнение к свинцу в качестве экрана заземляющего провода также используется сплав свинца, который имеет более гладкую, прочную и устойчивую к вибрации кристаллическую структуру. Но этот материал более подвержен коррозии и содержит токсины.
Определение полупроводника
Полупроводник — это материал, удельная электропроводность которого находится между изоляцией и проводником. Полупроводник действует как изолятор при очень низких температурах.
Основные принципы полупроводников
Полупроводники обладают проводящими свойствами между проводниками и изоляторами. Примерами полупроводниковых материалов являются кремний, германий, сульфид свинца, арсенид галлия, антиоксид индия и селен. Материалы, которые обладают полупроводниковыми свойствами, имеют значение удельного сопротивления (ρ) между проводником и изолятором, которое составляет 10-6 – 104 ом.
Поле проводимости 10-6 – 104 ом-2 м-2 с запрещенной зоной менее 6 эВ. Энергетическая щель — это энергия, необходимая электронам для разрыва ковалентных связей, чтобы они могли перемещаться с валентного пути на путь проводимости. Полупроводниковые основные материалы можно разделить на три типа, а именно:
- Трехвалентный, имеет атом с числом валентных электронов 3 штуки, например: бор (B), галлий (Ga) и индий (In).
- -Тетравалентный, имеет атомы с числом валентных электронов 4 штуки, например: кремний (Si) и германий (Ge).
- Пятивалентный, имеет атомы с 5 валентными электронами, например: фосфор (P), мышьяк (As) и сурьма (Sb).
Полупроводниковая атомная система
Широко известными полупроводниковыми материалами являются, например, кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs). Когда-то германий был единственным известным материалом для изготовления полупроводниковых компонентов. Но в последнее время силикон стал популярным после того, как нашел способ извлечь этот материал из природы. Кремний — второй по распространенности материал на Земле после кислорода (O2).
В атомной структуре кристаллов кремния одно атомное ядро (ядро) имеет 4 валентных электрона. Стабильная атомная ядерная связь — это если она окружена 8 электронами, поэтому в атоме 4 электрона. кристалл образует ковалентные связи с ионами соседних атомов при очень низких температурах (0 ° К). Атомная структура кремния представлена на следующем рисунке:
Ковалентные связи предотвращают перемещение электронов от одного атомного ядра к другому. В таких условиях полупроводниковый материал является изолятором, потому что в нем нет электронов, которые могут перемещаться, чтобы проводить электричество. При комнатной температуре некоторые ковалентные связи высвобождаются из-за тепловой энергии, что позволяет электронам высвобождаться из их связей. Однако только небольшое количество может быть вытеснено, что делает невозможным быть хорошим дирижером.
Физики, особенно те, кто в то время освоил квантовую физику, пытались легировать этот полупроводниковый материал. Допирование предназначено для получения все большего и большего количества постоянных свободных валентных электронов, которые, как ожидается, будут способны проводить электричество.
Основной полупроводниковый материал
- Подготовка полупроводниковых материалов
Полупроводники с предсказуемыми и надежными электронными свойствами необходимы для массового производства. Уровень химической чистоты
Требуется очень много, потому что наличие дефектов даже в очень малых пропорциях может иметь большое влияние на свойства материала. Также требуются кристаллы с высокой степенью совершенства из-за ошибок в структуре. кристаллы (например, дислокации, двойникование и растрескивание стопки) нарушают свойство полупроводимости материал.
Кристаллические трещины — основная причина выхода из строя полупроводниковых приборов. Чем больше кристалл, тем сложнее достичь необходимого совершенства. В текущем процессе массового производства используются кристаллические слитки (основные материалы) диаметром от 4 до 12 дюймов (± 30 см), которые выращиваются в виде цилиндров, а затем нарезаются на пластины.
В связи с необходимостью высокой степени химической чистоты и идеальной кристаллической структуры для изготовления полупроводниковых устройств были разработаны специальные методы производства исходных полупроводниковых материалов. Метод достижения высокой чистоты включает выращивание кристаллов с использованием процесса Чохральского. Дополнительный этап, который можно использовать для дальнейшего повышения чистоты, известен как улучшение зоны. При зонном ремонте часть твердого кристалла переводится в жидкое состояние. Примеси имеют тенденцию концентрироваться в сжиженной области, в то время как требуемый материал перекристаллизуется, в результате чего получается более чистый и кристаллический материал с меньшим количеством ошибок.
- Типы полупроводниковых тел и их использование
| Нет | Название полупроводника | Применение |
| 1 | Титинат бария (BaTi) | Термистор (PTC) |
| 2 | Теллурид висмута (Bi2 Te3) | Термоэлектрическое преобразование |
| 3 | Сульфид кадмия (CdS) | Фотопроводящая ячейка |
| 4 | Арсенид галлия (Ga As) | Диоды, транзисторы, лазеры, светодиоды, генераторы волн и Micro |
| 5 | Германий (Ge) | Диоды и транзисторы |
| 6 | Антимонид индия (в Sb) | Магниторезистор, пьезорезисторный детектор и инфракрасное излучение |
| 7 | Арсенид индия (In As) | Пьезорезистор |
| 8 | Кремний (Si) | Диоды, транзисторы и ИС |
| 9 | Карбид кремния (Si Cb) | Варистор |
| 10 | Сульфид цинка (Zn S) | Электроосветительное устройство |
| 11 | Германий Кремний (Ge Si) | Термоэлектрическая генерация |
| 12 | Селен (Se) | Выпрямитель |
| 13 | Алюминий-стибий (Al Sb) | Подсветка диодная |
| 14 | Галлий фосфор (Ga P) | Подсветка диодная |
| 15 | Индий фосфор (In P) | Инфракрасный фильтр |
| 16 | Оксид меди | Выпрямитель |
| 17 | Плюмбун сера (Pb S) | сотовая фотография |
| 18 | Плюмбун селен (Pb Se) | сотовая фотография |
| 19 | Индий-стибий (в Sb) | Инфракрасный детектор, инфракрасный фильтр и генератор Холла |
Кремний — это химический элемент в периодической таблице, который имеет символ Si и атомный номер 14, является вторым по распространенности элементом на Земле. Образовавшееся соединение парамагнитное. Этот химический элемент был открыт (Jons Jakob Berzelius 1923). кремний составляет почти 25,7% по весу. Обычно в виде диоксида кремния (кремнезема) и силикатов. Силикон часто используется для изготовления оптических волокон, а в пластической хирургии он используется для заполнения частей тела пациента в виде силикона.
Виды полупроводников
-
Внутренний полупроводник
Собственный полупроводник — это чистый полупроводник без каких-либо примесей. Кремний и германий — это два типа полупроводников, которые очень важны в электронике. Оба находятся в группе IVA периодической таблицы и имеют четыре валентных электрона. Кристаллическая структура кремния и германия тетраэдрическая, где каждый атом разделяет валентный электрон с соседними атомами.
Энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи, составляет 1,1 эВ для кремния и 0,7 эВ для германия. При комнатной температуре (300K), ряд электронов обладают достаточной энергией для разрыва связи и возбуждаются из валентной зоны в зону проводимости, становясь свободными электронами. Количество энергии, необходимое для выведения электрона из валентной зоны в зону проводимости, называется запрещенной энергией (энергетический разрыв). Если ковалентная связь разорвана, появятся вакансии или дыры (отверстие). В области, где есть вакансия, будет избыток положительного заряда, а в области, занятой свободными электронами, будет избыток отрицательного заряда. Эти два заряда способствуют прохождению электричества в чистом полупроводнике. Если валентный электрон из другой ковалентной связи заполняет дырку, дырка возникает новый в другом месте и как будто положительный заряд перемещается из старого отверстия в отверстие новый.
Этот процесс прохождения заряда, обычно называемый «током». дрейф»Можно записать следующим образом:« Электропроводимость в полупроводнике является результатом присутствия двух частиц. каждый с положительным и отрицательным зарядом, который движется в противоположных направлениях из-за влияния поля электричество». Благодаря наличию этих двух носителей заряда плотность тока выражается как проводимость. Поскольку появление дырок и электронов происходит одновременно, то в чистом полупроводнике требуется большое количество энергии для образования электронных и дырочных пар в собственном полупроводнике. определяется энергетической щелью между валентной зоной и зоной проводимости, чем дальше расстояние, тем больше энергии требуется для образования электронов — дырок в качестве носителей. нагрузка.
- Внешний полупроводник
Внешние полупроводники — это полупроводники, процесс которых заключается в легировании или легировании определенных атомарных материалов на полупроводниковый материал для увеличения проводимости полупроводника. Существует два типа внешних полупроводников, а именно полупроводники типа. И полупроводники полупроводникового типа. п полупроводник и -типа п.
- Тип полупроводника п
Тип полупроводника п может быть получен добавлением небольших количеств атомов пятивалентной примеси к чистому кремнию. Эти примесные атомы (легирующие примеси) имеют пять валентных электронов и поэтому эффективно имеют заряд + 5q. Когда пятивалентный атом занимает положение атома кремния в кристаллической решетке, только четыре электрона валентные электроны, которые могут образовывать полную ковалентную связь, оставляя электрон, который не в парах. Имея лишь небольшое количество тепловой энергии, эти оставшиеся электроны станут свободными электронами и готовы стать носителями заряда в процессе электропроводности. Материал, полученный в результате этого процесса легирования, называется типовым полупроводником.п, потому что он производит отрицательные носители заряда из нейтральных кристаллов. А поскольку примесные атомы отдают электроны, эти примесные атомы называются донорными атомами.
-
Тип полупроводника п
Так же, как и в полупроводнике. -Типа п, полупроводниковый тип п может быть получен путем добавления небольшого количества трехвалентных примесных атомов к чистому полупроводнику, например: чистый кремний. Эти примесные атомы (легирующие примеси) имеют три валентных электрона, поэтому они могут эффективно образовывать только три ковалентные связи. Когда трехвалентный атом занимает положение атома кремния в кристаллической решетке, образуются три связи полная ковалентная связь, оставляющая положительный заряд на неспаренном атоме кремния, называемом отверстие (отверстие). Материал, полученный в результате этого процесса легирования, называется полупроводником a -типа. п. Поскольку примесный атом принимает электроны, примесный атом называется акцепторным атомом.акцептор).
Как работают полупроводники
Что касается полупроводников, мы берем транзистор в качестве примера того, как работают полупроводники.
По сути, транзисторы и электронные лампы выполняют схожие функции; оба регулируют количество электрического тока. Чтобы понять, как работают полупроводники, рассмотрим стакан, наполненный чистой водой. Если в него вставить пару проводников и приложить постоянное напряжение чуть ниже напряжения электролиза (до того, как вода преобразованы в водород и кислород), ток не будет протекать, потому что вода не имеет носителей заряда (носители заряда). Так что чистая вода рассматривается как изолятор. Если к нему добавить немного поваренной соли, начнет течь ток проводимости, так как образуется ряд мобильных носителей (ионов). Повышение концентрации соли увеличит проводимость, но ненамного. Сама по себе поваренная соль является непроводником (изолятором), потому что носители заряда несвободны.
Чистый кремний сам по себе является изолятором, но если добавить небольшое количество загрязнителя, такого как мышьяк, с помощью процесса, называемого легированием, количество который достаточно мал, чтобы не нарушать структуру кристалла кремния, мышьяк будет отдавать свободные электроны, и в результате может происходить проводимость тока. электричество. Это связано с тем, что мышьяк имеет 5 валентных электронов на своей внешней орбите, тогда как кремний имеет только 4 валентных электрона. Проводимость возникает из-за того, что были добавлены свободные носители заряда (из-за избытка электронов из мышьяка). В этом случае был сформирован кремний n-типа (n означает отрицательный, поскольку носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны).
Кроме того, кремний можно смешивать с бором для получения полупроводников p-типа. Поскольку бор имеет только 3 валентных электрона на своей внешней орбите, в структуре кристалла кремния будут формироваться новые носители заряда, называемые «дырками».
В вакуумной трубке носители заряда (электроны) будут испускаться термоэлектронной эмиссией с катода, нагретого нитью накала. Следовательно, вакуумная трубка не может создавать носители положительного заряда (дырки).
Видно, что носители заряда с одинаковым зарядом будут отталкивать друг друга, так что в отсутствие другие силы, эти носители заряда будут равномерно распределены в материале полупроводник. Но в биполярном транзисторе (или диодном переходе), где полупроводник p-типа и полупроводник n-типа выполнены на одном кремниевом кристалле, эти носители заряда стремятся двигаться к P-N-переходу (граница между полупроводниками p-типа и n-типа), поскольку они притягиваются противоположными зарядами. с другой стороны.
Увеличение количества загрязняющих веществ (уровня легирования) увеличит проводимость полупроводникового материала, пока сохраняется структура кристалла кремния. В биполярном транзисторе область вывода эмиттера имеет большее количество легирования, чем вывод базы. Соотношение между коэффициентом легирования эмиттера и базы является одним из многих факторов, определяющих характеристики усиления транзистора по току.
Количество легирования, необходимое для полупроводника, очень мало, его размер составляет один на сто миллионов, и это ключ к успеху полупроводника. В металле очень много носителей заряда; по одному носителю заряда на каждый атом.
Для получения дополнительной информации перейдите по следующей ссылке:
- 223 Определение и виды энергии по мнению экспертов
- Понимание и виды энергии по мнению экспертов
- Понимание и 4 вида потенциальной энергии, надеюсь
- Определение и 100 источников света и их преимущества по мнению экспертов
Это обзор о Изоляторы, проводники и полупроводники: определение, типы, формы, материалы и принцип работы Надеюсь, это может быть полезно для верных друзей преподавателей образования. Ком, аминь…
Урок-2. ПРОВОДНИКИ, ДИЭЛЕКТРИКИ (НЕПРОВОДНИКИ), ПОЛУПРОВОДНИКИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Цель даного урока: усвоить теоретические сведения, касающиеся такиких понятий как: проводники, диэлектрики, полупроводники и электрический ток. Понять химическую, физическую природу возникновения электрического тока и основные условия для его возникновения. В этом уроке мы коснемся таких важнейших понятий и определений как постоянное и переменное напряжение — ток. В конце данного урока будет более интересное практическое задание, чем в первом уроке. Я думаю что для вас оно не покажется трудным.
Не в каждом теле есть условия для прохождения электрического тока. Дело в том, что атомы и молекулы различных веществ обладают неодинаковыми свойствами. В металлах, например, электроны легко покидают оболочки и беспорядочно, хаотично движутся между атомами. В металлах особенно много свободных электронов. По существу, металл состоит из положительных ионов, расположенных в определенном порядке, пространство между которыми заполнено свободными электронами. В металле невозможно различить, какой электрон к какому из атомов относится, они сливаются в единое электронное «облако». Огромное количество свободных электронов в металлах создает в них наиболее благоприятные условия для электрического тока. Нужно только хаотическое движение электронов упорядочить, заставить их двигаться в одном направлении.
В некоторых телах и веществах почти нет свободных электронов, так как они прочно удерживаются ядрами. У молекул и атомов таких тел трудно «отобрать» или «навязать» им лишние электроны. В таких телах нельзя создавать электрический ток. Тела и вещества, в которых можно создавать электрический ток, называют проводниками. Те же тела и вещества, в которых его создать нельзя, называют диэлектриками или непроводниками тока. К проводникам, кроме металлов, относятся также уголь, растворы солей, кислоты, щелочи, живые организмы и многие другие тела и вещества. Причем в растворах солей электрический ток создается не только электронами, но и положительными ионами. Диэлектриками являются воздух, стекло, парафин, слюда, лаки, фарфор, резина, пластмассы, различные смолы, маслянистые жидкости, сухое дерево, сухая ткань, бумага и другие вещества. Фарфоровыми, например, делают изоляторы для электропроводки, лаки используют для покрытия проводов, чтобы изолировать провода друг от друга и от других предметов.
Но есть еще большая группа веществ, называемых полупроводниками. К полупроводникам, в частности, относятся германий и кремний. По электропроводности они занимают среднее место между проводниками и непроводниками. Считавшиеся когда — то непригодными для практических целей, сейчас они стали основным материалом для производства современных полупроводниковых приборов, например транзисторов, с которыми будет связана большая часть вашего творчества.
ЭЛЕКРИЧЕСКИЙ ТОК
Как заставить двигаться упорядоченно, в одном направлении, обилие свободных электронов, скажем, в нити накала электрической лампочки? Нужно создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу или батарее гальванических элементов. Устройство простейшего гальванического элемента, являющегося химическим источником тока, показано на рис. Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые помещены в электролит — раствор соли или кислоты, например серной.
| Устройство простейшего гальванического элемента |
В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот, недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) или напряжение. О разнице между ЭДС и напряжением я расскажу вам позже, во время экскурсии в электротехнику.
Вы уже знаете, что полюсы элемента или батареи обозначают знаками «плюс» и «минус». Их вы видели, например, возле жестяных выводных пластинок батареи, предназначенной для питания лампы накаливания карманного электрического фонаря. Между прочим, эта батарея также состоит из гальванических элементов, только не жидкостных, как элемент, показанный на рис., а сухих. Там их три. Несколько элементов, соединенных между собой в единый источник тока, и называют батареей.
Запомни: на схемах отрицательный полюс элемента или батареи принято обозначать короткой линией, положительный — удлиненной линией.
| Схематическое обозначени гальванического элемента |
Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны, как по мостику, перекинутому через овраг, будут двигаться туда, где их недостаток, от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила. Такую простейшую электрическую цепь можно подразделить на два основных участка: внешний и внутренний. К внешнему участку цепи относится все, что подключается к полюсам источника тока, а к внутреннему — та часть цепи, которая заключена внутри самого источника тока.
Запомните: замкнутая электрическая цепь — обязательное условие для существования в ней тока. В разомкнутой цепи ток не течет.
Разноименные заряды можно сообщить двум изолированным телам, например шарикам, подвешенным на шелковых нитях. Шарики будут притягиваться, но тока между ними не будет, так как их разделяет диэлектрик воздух.
Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов. Вы можете спросить: почему бы сейчас не нарушить эту традицию? Дело в том, что это потребовало бы переработки всех учебников, всей технической литературы, имеющей прямое или косвенное отношение к электротехнике и радиотехнике. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что направление тока в проводниках протичоположно направлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например в электролитах химических источников постоянного тока, ток «дырок» в полупроводниках (об этом разговор пойдет в следующих уроках), таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока.
Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным и обозначают латинской буквой (I).
На выше приведеном рисунке, через соединительные проводники и нить лампы накаливания, электроны движутся слева направо от минуса к плюсу. Но если полюсы элемента поменять местами, тогда электроны в том же внешнем участке цепи потекут справа налево, так как теперь минус окажется на правом конце участка цепи, а плюсна левом. Изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным.
А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами, в другом, обратном предыдущему, потом вновь в прямом, опять в обратном и т.д. Во внешней цепи будет течь уже не постоянный, а как бы переменный ток.
Запомните: в проводах электроосветительной сети течет переменный ток, а не постоянный, как в цепи электрического карманного фонаря. Его вырабатывают машины, называемые генераторами переменного тока. Знаки электрических зарядов на полюсах генератора непрерывно меняются, но не скачком, как в нашем примере, а плавно. Заряд того полюса генератора, который в некоторый момент времени был положительным, начинает убывать и через долю секунды становится отрицательным; отрицательный заряд сначала возрастает, потом начинает убывать, пока снова не окажется положительным, и т.д. Одновременно меняется знак заряда и другого полюса. При этом напряжение и значение тока в электрической цепи также периодически изменяются.
Графически переменный ток изображают волнистой линией — синусоидой, показанной на рисунке. Здесь вертикальная ось со стрелкой, направленной вверх, соответствует одному направлению тока, а вниз — другому направлению тока, обратному первому.
| Графическое изображение переменного тока |
О чем может рассказать такой график? Ток в цепи появляется в момент времени, обозначенный на графике точкой а. Он плавно увеличивается и течет в одном направлении, достигая наибольшего значения (точка б), и также плавно убывает до нуля (точка в). Исчезнув на мгновение, ток вновь появляется, плавно возрастает и протекает в цепи, но уже в противоположном направлении. Достигнув наибольшего значения (точка г), он снова уменьшается до нуля (точка д). И далее ток, также последовательно возрастая и уменьшаясь, все время меняет , свои направление и значение.
При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Одним полным, или законченным, колебанием тока принято считать упорядоченное движение электронов в проводнике, соответствующее участку графика от а до д или от в до ж. Время, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом, время половины колебания — полупериодом, а наибольшее значение тока во время каждого полупериода — амплитудой.
Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи специального устройства — трансформатора — можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить — преобразовать в постоянный ток. Эти свойства переменного тока вы будете широко использовать в своей радиолюбительской практике.
Все то, о чем я рассказал вам сейчас, знает каждый старшеклассник и разумеется, каждый радиолюбитель. Вы пользуетесь благами электричества, иногда даже расточительно, не задумываясь над тем, что ученые всего — навсего каких — нибудь лет 100 назад только — только нащупали пути практического использования этого щедрого дара природы.
В этом уроке вы познакомились с такими важнейшими понятиями как:
проводники, диэлектрики и полупроводники. Что такое постоянный и переменный электрический ток. Ну и последнее что необходимо четко запомнить и уяснить — основные характеристики переменного тока на представленном графике (синусоида), это период, полупериод, частота и амплитуда.Практическая работа
Следующая ваша практическая работа, будет заключаться в сборке простейшего фонарика, который состоит из миниатюрной лампы накаливания L (Рабочее напряжение лампы накаливания должно быть в пределах от 1,5 — 2,5 В), гальванического элемента G (обычная пальчиковая батарейка напряжением 1,5 В), соединительных проводов и кнопки (кнопку можно применить любую, с одним нормально разомкнутым контактом, аналогом кнопки могут быть так же, два провода один из которых подсоединен к плюсовому контакту батарейки, другой к лампочке). При замыкании контактов выключателя, или проводов, лампочка должна светится.
| Схема простейшего фонарика |
Задача данной практической работы, проследить воздействие электрического тока на нить накала лампочки и выяснить что происходит в следствии этого воздействия.
Переходим к следующему уроку !
10 Различия между проводником и полупроводником (проводник и полупроводник)
Проводник — это объект или материал, который позволяет протекать электрическому току в одном или нескольких направлениях. Такие металлы, как железо, медь и алюминий, являются хорошими проводниками.
полу проводник – это твердое вещество, имеющее электрическую проводимость между проводник и изолятор. Это свойство делает его пригодным для управления электрический ток.
Проводник против Полупроводник
Проводник | Полупроводник |
Всегда
допускает протекание электрического тока. | Под некоторых условиях полупроводники допускают протекание электрического тока и при некоторые другие условия не будут проводить электричество. Проводимость умеренная между проводником и изолятором |
Хороший проводники имеют большое количество свободных электронов | Полу кондукторов мало свободных электроны |
проводимость основана на свободных электронах из-за металлической связи | проводимость основана на свободных электронах и дырках |
внешний электрон в атоме может быть легко удален небольшим потенциалом применяется разница | Более энергия или разность потенциалов необходимы, чтобы удалить внешний электрон в атом в полупроводнике |
электропроводность проводника уменьшается с повышением температуры
потому что повышение температуры увеличивает столкновение электронов, что
нарушает его свободное течение. | В полупроводник, проводимость увеличивается с повышением температуры, так как количество свободных электронов увеличивается с повышением температуры |
Дирижер это материал с низким удельным сопротивлением | Полу проводник имеет удельное сопротивление между проводником и изолятором |
Удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры | Удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры |
Они иметь положительный коэффициент сопротивления* | Они имеют отрицательный коэффициент сопротивления |
В проводников, зона проводимости частично заполнена или перекрывается валентная зона | В полупроводники, энергетическая щель мала, при комнатной температуре некоторые электроны имеет энергию, чтобы перепрыгнуть через промежуток и войти в зону проводимости |
энергетическая щель равна нулю или очень мала | энергетический зазор невелик. |
Они не будет вести себя как изолятор при любой температуре. При 0 К ведет себя как сверхпроводник | Чистый полупроводники становятся изоляторами при абсолютном нуле (0 К), так как нет свободных электроны. |
Смешивание примесей вызывает увеличение сопротивления и снижение проводимости | Смешивание примесей вызывает снижение сопротивления и увеличение проводимости |
Пример проводников: Серебро, медь, алюминий | Пример полупроводников: Кремний, германий, галлий |
*Коэффициент изменения сопротивления на градус Цельсия
изменение температуры называется температурным коэффициентом сопротивления.
Теги Проводник против полупроводника планы уроков электроники пример проводника пример полупроводника Физика
Предыдущий пост Следующий пост
Разница между проводником, изолятором и полупроводником
Здравствуйте, ребята, я надеюсь, что вы все весело проводите время в своей жизни. В сегодняшнем уроке мы обсудим разницу между проводником, изолятором и полупроводником . Существует 3 типа материалов в соответствии с их электрическими свойствами и свойствами: первый — изолятор, второй — проводник и третий — полупроводник. Все эти категории демонстрируют различное электрическое поведение в зависимости от их структуры и наличия свободных электронов.
В любой сплошной структуре атомы расположены симметрично. Есть несколько типов связей, таких как ионная связь, ковалентная связь и т. д. В любом кристалле атомы соединены друг с другом ковалентной связью, эта связь создается между самыми внешними электронами или валентными электронами атома. В сегодняшней статье мы подробно рассмотрим проводники, изоляторы и полупроводники, сравним их различные свойства, а также обсудим роль этих материалов в электронных материалах. Итак, начнем с Разница между проводником, изолятором и полупроводником.
Разница между проводником, изолятором и полупроводником
- Каждое вещество создано из атома, эти атомы объясняют электрические свойства любого вещества, а также объясняют проводимость этого вещества.
- Чтобы понять электрическое поведение любого вещества, мы можем нарисовать физическую структуру атома, состоящую из электронов валентных оболочек, внутренних оболочек и ядра.
- На приведенном рисунке вы можете увидеть атом углерода в приведенном выше пояснении структуры.
- На приведенном рисунке видно, что атом карона состоит из 4 электронов на внешней валентной оболочке и 2 электронов на внутренней оболочке.
- В ядре атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов, шесть из которых определяют положительный заряд 6 протонов.
- Суммарный заряд ядра атома углерода плюс четыре.
Что такое изолятор
- Такие вещества, которые демонстрируют высокое значение сопротивления движению тока в нормальных условиях, называются изоляторами.
- Эти изоляторы доступны в виде одного элемента или соединений и обеспечивают большое значение сопротивления.
- Самые внешние электроны или электроны валентной оболочки прочно связаны со структурой вещества, и нет свободных электронов для проводимости или протекания тока.
- Примерами изоляторов являются кварц, слюда, пластик, резина и т. д.
Применение изолятора
- Резина является очень распространенным изоляционным материалом, используемым в различных тканях, шинах, изготовленных из резины и т.д.
- Фарфор — это изоляционный материал, используемый для изготовления вводов, обеспечивающих изоляцию между различными проводниками.
Что такое проводник
- Свойства проводника обратны изоляторам, в их валентных оболочках много свободных валентных электронов для обеспечения проводимости.
- Примерами этих веществ являются железо, медь, серебро, золото и т. д.
Применение проводников
Вот некоторые применения проводников.
- Железо является очень распространенным проводящим материалом, используемым в различных устройствах, таких как двигатель транспортных средств, для отвода тепла. Серебро
- используется в линиях электропередач для передачи мощности и в различных электрических машинах, будь то машины постоянного или переменного тока, такие как асинхронный двигатель, асинхронный генератор, синхронный двигатель, синхронный генератор, все они состоят из медных обмоток, которые являются проводником.
- Алюминий также является проводником, который используется в различных устройствах для приготовления пищи и поглощает тепло для приготовления пищи.
Что такое полупроводник
- Полупроводник показывает поведение проводимости между изоляторами и проводниками, которые также являются проводником и изолятором, так называемыми полупроводниками.
- В полупроводниках с собственной или чистой проводимостью не проявляет проводящих свойств, а также не проявляет свойств изоляторов.
- При повышении температуры или внешнего источника питания они начинают свою проводимость.
- Примерами этих материалов являются кремний, германий, мышьяк и т. д.
Применение полупроводников
- Это различные типы полупроводниковых материалов, которые используются в различных схемах, таких как транзисторы, диоды. Транзистор
- используется для переключения и усиления цепей, а диоды используются для выпрямления.
Проводники, полупроводники и изоляторы
| Проводники | Полупроводник | Изолятор |
| Проводник — это такое вещество, которое позволяет току течь по нему. Как железо, алюминий, медь. | Полупроводники — это такие материалы, которые проявляют поведение проводимости среди проводников и изоляторов. Примеры кремний, германий. | Такие вещества, которые обеспечивают высокое значение сопротивления движению тока, называются изоляторами. Примерами являются каучук, слюда и т. д. |
| Проводимость этих материалов очень высока. | Это вещество проявляет проводящие свойства между проводниками и изоляторами. | Их проводимость равна нулю. |
| Это вещество не имеет запрещенной зоны. | Там запрещенная зона меньше. | Эти материалы имеют очень большую запрещенную зону |
| Сопротивление этих материалов очень мало. | Эти материалы имеют умеренное значение сопротивления. | Сопротивление этого вещества очень велико. |
| Температурный коэффициент этих веществ положительный. | Температурный коэффициент этих веществ отрицательный. | Температурный коэффициент этих веществ также отрицательный |
| Значение электропроводности для этих веществ составляет 10 -7 мОм/м. | Значение электропроводности для этих веществ составляет от 10 -7 мОм/м до 10 -13 МО/м. Средний | Значение электропроводности для этих веществ составляет 10 -13 мОм/м. Это очень меньше. |
| В этих веществах много электронов для проводимости. | Меньше электронов для проводников. | Почти ноль электронов для проводимости. |
| Удельное сопротивление этих веществ менее 10 -5 Ом-метр | Удельное сопротивление этих веществ составляет от 10 -5 Ом-метр до 10 5 Омметр. | Удельное сопротивление этих веществ превышает 10 5 Ом-метр |
| В этих веществах в валентных электронах имеется только один электрон. | Эти материалы имеют 4 электрона на валентных оболочках. | Эти материалы имеют восемь электронов на валентных оболочках. |
| В проводнике валентная зона и зона проводимости перекрываются друг с другом. | В этих материалах валентная зона и зона проводимости имеют разность энергий 1.1ev. | Валанс и зона проводимости отделены друг от друга от 6 до 10 эв. |
| В проводниках существует металлическая связь. | Полупроводники состоят из ковалентной связи. | Изоляторы имеют ионные связи. |
| Примеры: железо, медь, золото. | Силикон и алюминий являются примерами полупроводников. | Слюда, каучук и дерево являются изоляторами. |
Ширина запрещенной зоны
- Как известно, валентная оболочка атома определяет энергетический диапазон, который скажет о любом электроне в валентной оболочке требуемую энергию.
- Когда валентный электрон получает определенную энергию, он покидает валентный электрон и перемещается в зону, называемую зоной проводимости .
- Энергия, необходимая для перемещения электрона из валентной оболочки в зону проводимости, называется запрещенной зоной .
- , когда электрон перемещается в зону проводимости, то он может свободно перемещаться в атоме.
- На данном рисунке показаны энергетические диаграммы проводников, изоляторов и полупроводников.
- Мы также можем определить ширину запрещенной зоны, поскольку это разница энергий между двумя энергетическими уровнями, которые должен иметь электрон, чтобы перемещаться между ними.
- В случае диэлектрика и полупроводника в запрещенной зоне нет выхода электронов, а в проводнике электроны выходят или могут не выходить из-за свободного движения электрона.
- Если мы приложим высокое напряжение к изолятору, то электрон в изоляторе сможет пересечь запрещенную зону.
- На приведенном выше рисунке поясняется ширина запрещенной зоны изолятора.
- В то время как в случае полупроводника вы можете видеть, что ширина запрещенной зоны меньше, в полупроводнике требуется меньше энергии, чтобы электрон пересекал запрещенную зону.
- Если мы посмотрим на зону проводимости, то увидим, что зона проводимости и валентная зона перекрываются друг с другом, поэтому для перемещения электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется меньше энергии.
Сравнение атома полупроводника с атомом проводника
- Теперь мы сравним два атома, первый из проводника, а второй из полупроводника.
- Для этого возьмем кремний как полупроводник и медь как проводник. В данном изображены оба атома.
- Вы можете видеть, что общий заряд атома кремния равен четырем, а атому углерода — один.
- Валентные электроны меди несут силу притяжения с одной стороны, в то время как в силиконе на валентные электроны действуют четыре силы притяжения.
- Таким образом, мы можем сказать, что на валентный электрон кремния действуют четыре силы притяжения.
- Валентный электрон меди находится на 4-й оболочке, а валентная оболочка кремния — на третьей оболочке.
- Поскольку мы знаем, что электрон на большем расстоянии от центра имеет большую величину энергии, то энергия валентного электрона меди больше, чем энергия атома кремния.
- Таким образом, получив меньше энергии в атоме меди, электрон покинет оболочку, в то время как в кремнии требуется большое количество энергии.
Сравнение атомов кремния и германия
- Внутренняя структура атомов кремния и германия показана на рисунке ниже.
- Как видите, в обеих структурах по 4 валентных электрона.
- Но разница в том, что валентные электроны в атоме германия находятся в оболочке 4 th
, а в силиконе — в 3 rd . Это показывает, что электроны в германии находятся на более высоких энергетических уровнях, чем в силиконе.
- Таким образом, требуется небольшое количество энергии, чтобы электрон германия покинул атом. Это также говорит о менее стабильном поведении германия, в то время как силикон более стабилен.
Что такое ковалентная связь
- На приведенном рисунке вы можете видеть, что каждый атом кремния соединяется с 4-мя атомами кремния и образует кристалл кремния.
- Четыре валентных электрона атома кремния спарены с четырьмя другими электронами другого атома, что делает все атомы кремния стабильными.
- Это совместное использование валентных электронов образует ковалентные связи, образующие прочную связь между атомами кремния.
- Ковалентная связь чистого или собственного атома показана на данном рисунке. Ковалентная связь германия также подобна кремнию, поскольку в валентных оболочках германия имеется 4 электрона.
Итак, друзья, это подробный пост. Разница между проводником, изолятором и полупроводником. Я упомянул все факторы, связанные с этими материалами. Если у вас все еще есть какие-либо вопросы, спросите в комментариях. Увидимся в следующем уроке.
Новое поступление алюминиевых плит всего за 2 доллара США
Купоны на сумму 54 доллара США также могут применяться к заказам на 3D-печать. Специальное предложение для 3D-печати начинается с 1 доллара США
Проводники
Изоляторы, проводники, полупроводники и сверхпроводники
Каждый материал в мире может быть определен в терминах
насколько хорошо он проводит электричество. Некоторые вещи, такие
как холодное стекло, никогда не проводит электричество. Они известны как изоляторы.
Материалы, проводящие электричество, такие как медь, называются проводниками.
В середине находятся материалы, известные как полупроводники, которые не проводят
а также проводники, но могут проводить ток. Наконец, материалы
называются сверхпроводниками, которые при понижении температуры до очень низких
превращаются в супермагистрали тока — они проводят электричество без
какое бы то ни было сопротивление.
Все эти разные материалы состоят из атомов, внешне похожи: ядро с электронами, вращающимися вокруг их. Что делает их такими разными, когда дело доходит до дирижирования электричество?
Разница сводится лишь к тому, как
электроны располагаются вокруг ядра. Законы кванта
физика говорит, что есть только определенные полосы (или треки) в
который может пройти любой электрон. Есть интересные факты о
эти полосы. Прежде всего, только очень определенное количество электронов
может путешествовать в каждом из них; как только он полон, он полон. Во-вторых, какой трек
электрон находится в соответствует тому, сколько энергии имеет этот электрон.
И в-третьих, некоторые группы ближе друг к другу, чем другие.
Разные атомы имеют разное количество электронов, и то, как эти электроны расположены в полосах, определяет, будет ли материал, сделанный из этих атомов, будет проводить.
В каждом атоме электроны скапливаются как можно ближе к
ядра, поскольку наиболее близкие к ядру полосы
также те, которые требуют наименьшего количества энергии. Это означает
что крайняя дорожка может быть не полностью заполнена. Если
он не заполнен, то электрон легко перескочит с одного атома
в пустое место в соседнем атоме. Та да! движущиеся электроны,
и, следовательно, электрический ток. Атомы с пустыми местами
в крайних электронных зонах являются проводниками.
Перейдем к следующему сценарию, где крайняя дорожка
полностью заполнен. Если бы электронам на этом треке дали
небольшой толчок энергии — скажем, от вспышки света — они могли бы
иметь достаточно энергии, чтобы перейти к следующему, пустому треку. Но
помните, некоторые полосы близки друг к другу, а некоторые нет.
В атомах, где следующий трек находится близко, энергичный электрон будет
без проблем прыгать по дорожке. Внезапно этот электрон
находится в дорожке с пустыми местами, и электроны могут двигаться от атома
на атом, как описано выше. Поскольку такие виды атомов
может проводить электричество только иногда — если это дано снаружи
толчок энергии — это полупроводники. Атомы с
полная внешняя дорожка, которая очень близка к следующей пустой дорожке,
полупроводники.
Однако, если следующий потенциальный трек находится слишком далеко, тогда электрон не сможет прыгнуть к нему, даже если ему дадут толчок энергии. Эти электроны всегда будут оставаться на назначенной им траектории, никогда не позволено блуждать к другому атому — и никогда не образуя тока. атомов с полная внешняя дорожка, которая находится далеко от следующей пустой дорожки, является изолятором.
Сверхпроводники — совсем другое дело, поскольку
известный сегодня материал обладает сверхпроводимостью, за исключением очень низких температур.
Ученые открывают материалы, которые делают сверхпроводимость ближе и ближе
ближе к комнатной температуре все время, но никто не
уверен, как это происходит. Однако Джон Бардин, Леон Купер и
Роберт Шриффер выдвинул теорию о том, как самые холодные
работы сверхпроводников, известной как теория БКШ. В таких материалах
при низких температурах атомы вибрируют так, что движущиеся
электроны ближе друг к другу. Обычно электроны не любят
жмутся так близко, потому что все они электрически отрицательные и, следовательно,
отталкивать друг друга. Но в сверхпроводниках электроны на самом деле
добиться почти влечения друг к другу. Результат в том, что как
один электрон движется, он тянет за собой следующий электрон
Это. Электроны скользят от атома к атому легче, чем когда-либо
делай нормально. Атомы, которые при соответствующей температуре могут образовать
электроны притягиваются, а не отталкиваются друг от друга, являются сверхпроводниками.
Ресурсы:
Физика для ученых и инженеров Пол Фишбейн, Стивен
Гасиорович, Стивен Торнтон
Физика Пола Типлера
Научная энциклопедия Ван Ностранда
-PBS Online- -Сайт
Кредиты- -Фото Кредиты- -Отзывы-
Авторское право
1999 г. , ScienCentral, Inc. и Американский институт физики.
Нет
часть этого веб-сайта может быть воспроизведена без письменного разрешения.
Все права защищены.
6.8. Изоляторы, проводники и полупроводники – Платформа электронного обучения Университета Вахемо
Материалы классифицируются как 9проводники 0169, изоляторы и полупроводники в зависимости от их электропроводности. Эта классификация основана исключительно на доступном количестве свободных электронов в материалах, помимо связанных орбитальных электронов. Таким образом, слово проводимость используется для описания способности материала передавать электричество. Другим средством классификации материалов является теория запрещенной зоны или запрещенной зоны.
- Диапазон энергии в твердых телах:
При формировании твердого тела самые внешние энергетические уровни атомов перекрываются друг с другом, образуя энергетическую полосу. Энергетическая зона состоит из близко расположенных энергетических уровней, которые считаются непрерывными.
Самые внешние электроны атома называются валентными электронами, а полоса энергии, занимаемая валентными электронами, известна как валентная зона (V.B.). Эта валентная зона может быть частично или полностью заполнена, но она не может быть пустой. Следующая более высокая разрешенная зона энергии называется зоной проводимости (C.B.). Он расположен выше валентной зоны. Электропроводность твердых тел зависит от количества электронов, присутствующих в зоне проводимости их атомов. Зона проводимости может быть пустой или частично заполненной и никогда не может быть заполнена полностью.
Когда электроны достигают зоны проводимости из валентной зоны, они могут свободно двигаться, поэтому их называют свободными электронами или электронами проводимости. Эти свободные электроны ответственны за протекание электрического тока через твердое тело. Щель между валентной зоной и зоной проводимости называется запрещенной энергетической щелью (ЗЗ).
- Диаграмма энергетического диапазона для проводников, изоляторов и полупроводников:
Наш интерес сосредоточен на свойствах проводимости материала. В общем, физические и химические свойства элемента определяются электронами на валентной орбите. Например, если валентная орбита заполнена, элемент инертен, как He, Ne и т. д. С другой стороны, материалы с незаполненной валентной орбитой проявляют электрические и магнитные свойства, как металлы. Таким образом, для дальнейших исследований рассматривается только валентная зона. Другие низкоуровневые полосы не вносят существенного вклада в проводящие свойства.
Энергетическая зона, занятая валентными электронами, называется валентной зоной (В.Б.). Затем проводящая зона (C.B) лежит над валентной зоной. Зона проводимости обусловлена свободными электронами атомов кристалла или твердого тела. Эти свободные электроны обладают кинетической энергией и действуют как переносчики внутри кристалла.
Диаграммы энергетических зон для хороших проводников, изоляторов и полупроводников показаны на рисунке 6.11.
Рисунок 6.11: Размеры запрещенной зоны изолятора, полупроводника и проводника.
Приведенная выше диаграмма энергетических зон имеет разрыв между V.B. и CB, названный запрещенной энергетической щелью. Таким образом, на основе энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости материалы классифицируются как проводники, полупроводники и изоляторы.
Проводники:
Проводники представляют собой материалы с высокой проводимостью от 10 4 до 10 7 Ом -1 м -1 . Металлы имеют электропроводность порядка 10 7 Ом -1 м -1 являются хорошими проводниками. В проводниках нижний уровень зоны проводимости оказывается ниже самого высокого уровня валентной зоны, и, следовательно, зона проводимости и валентная зона перекрываются. Следовательно, электрон из валентной зоны может очень легко мигрировать в зону проводимости. Таким образом, при комнатной температуре для проводимости доступно большое количество электронов. Примеры: Медь, Алюминий, Серебро, Золото, Все металлы.
Характеристики проводников:
- Вещества, проводящие через себя электричество в большей степени, называются проводниками.
- В проводниках зона проводимости и валентная зона перекрывают друг друга или зазор между ними очень мал. Итак, запрещенная энергетическая щель равна
- . В зоне проводимости находятся свободные электроны.
- Из-за повышения температуры проводимость уменьшается.
- Добавление примесей не влияет на проводимость проводников.
- Диапазон проводимости от 10 4 до 10 7 Ом -1 м -1 .
Изоляторы:
Изоляторы представляют собой материалы с очень низкой электропроводностью в диапазоне от 10 -20 до 10 -10 Ом
Таким образом, запрещенная энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости велика (более 3 эВ). Следовательно, электроны из валентной зоны не могут мигрировать в зону проводимости. Следовательно, электроны не доступны для проводимости. Но при более высокой температуре некоторые электроны из валентной зоны могут получить внешнюю энергию, чтобы пересечь зазор между зоной проводимости и валентной зоной. Затем эти электроны переместятся в зону проводимости. В то же время они будут создавать вакантные энергетические уровни в валентной зоне, куда могут двигаться другие валентные электроны. Таким образом, процесс создает возможность проводимости за счет электронов в зоне проводимости, а также за счет вакансий в валентной зоне.Примеры: стекло, дерево, бумага, пластик, слюда.
Характеристики изоляторов:
- В изоляторах зона проводимости и валентная зона сильно разделены.
- В зоне проводимости нет свободных электронов.
- Существует энергетический зазор между зоной проводимости и валентной зоной, превышающий 3эВ. В изоляторах, таких как алмаз, запрещенная энергетическая щель довольно велика и составляет 6 эВ, поэтому для перемещения электрона из валентной зоны в зону проводимости требуется минимум энергии 6 эВ.
- Изменение температуры не влияет на проводимость изоляторов.
- Добавление примесей не влияет на проводимость изоляторов.
- Они имеют очень низкую электропроводность в пределах от 10 -20 до 10 -10 Ом -1 м -1 .
Полупроводники :
Это материалы с электропроводностью в промежуточном диапазоне от 10 до 6 и 10 4 Ом -1 м -1 . Запрещенная энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости составляет менее 3 эВ. Таким образом, энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости мал. При абсолютном нуле электроны не доступны для проводимости. По мере повышения температуры многие электроны из валентной зоны могут получить внешнюю энергию, чтобы пересечь щель между зоной проводимости и валентной зоной. Затем эти электроны переместятся в зону проводимости. В то же время они будут создавать вакантные энергетические уровни в валентной зоне, куда могут двигаться другие валентные электроны. Таким образом, процесс создает возможность проводимости за счет электронов в зоне проводимости, а также за счет вакансий в валентной зоне.
В полупроводниках движением зарядов можно управлять в соответствии с нашей потребностью в создании электронных устройств. Так, кремний и германий используются в качестве основного материала для изготовления электронных компонентов, таких как диоды, транзисторы и т. д.
Характеристики полупроводников:
- запрещенная энергетическая щель между ними очень мала. Запрещенная энергетическая щель составляет 1,1 эВ для кремния 9.0180
- Электроны валентной зоны легко могут быть возбуждены в зону проводимости.
- Между зоной проводимости и валентной зоной имеется энергетический зазор менее 3 эВ.
- Из-за повышения температуры проводимость увеличивается.
- Добавление примесей влияет на проводимость полупроводников.
- Их электропроводность находится в диапазоне от 10 -6 и 10 4 Ом -1 м -1 .
1. Внутренние полупроводники:
Как правило, полупроводники классифицируются как собственные и внешние полупроводники. Полупроводники в чистом виде называются собственными полупроводниками. Пример: кристалл, образованный только атомами кремния (см. рис. 12). Атомы кремния организуются, делясь электроном между соседними атомами. Такая связь является ковалентной связью.
Рисунок 6.12: (a) Кремний в ковалентной связи и (b) Ширина запрещенной зоны в чистом полупроводнике
В собственном полупроводнике, таком как кремний, значение запрещенной зоны составляет 1,1 эВ. Эта энергия доступна для полупроводников, находящихся при комнатной температуре. Из-за этой тепловой энергии некоторые ковалентные связи внутри кристалла разрываются (или) некоторые электроны перекачиваются из валентной зоны в зону проводимости. В связи, от которой освобождается электрон, там создается вакансия. Это отсутствие электрона называется дыркой. Образуется электронно-дырочная пара. Таким образом, при комнатной температуре в чистом полупроводнике и электроны, и дырки будут блуждать в случайных направлениях. Эти электрон и дырки называются собственными носителями, а такой полупроводник называется собственным полупроводником. Вакантное место, образовавшееся в валентной зоне из-за перескока электрона из валентной зоны в зону проводимости, называется «дыркой», имеющей положительный заряд.
Внешний полупроводник:
Чистый полупроводник при комнатной температуре содержит свободные электроны и дырки, но их количество настолько мало, что проводимость, обеспечиваемая чистыми полупроводниками, не может быть использована для каких-либо практических целей, таких как изготовление устройств. Добавляя некоторые выбранные примеси к чистому полупроводнику в очень небольшом соотношении (1:106), проводимость кристалла кремния или германия может быть заметно улучшена.
Процесс добавления примеси в чистый полупроводниковый кристалл для улучшения его проводимости называется легированием. Полупроводники с добавлением примесей называются внешними полупроводниками. Внешние полупроводники классифицируются как полупроводники P-типа и N-типа в зависимости от типа примесных атомов, добавленных в полупроводники.
Полупроводник N-типа:
Пятивалентный элемент, такой как сурьма (Sb) или мышьяк (As), добавляется в кристаллы чистого кремния. Эти примесные атомы замещают некоторые атомы кремния то здесь, то там в кристалле. Добавленный атом мышьяка (As) делит четыре электрона с соседними атомами и отдает пятый электрон кристаллу для проводимости. Поэтому эти пятивалентные элементы называются донорными примесями, так как они отдают электроны, не создавая дырок.
В кремнии электрону требуется 1,1 эВ, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости. Эта энергия становится доступной для полупроводника уже при комнатной температуре. Таким образом, при комнатной температуре несколько ковалентных связей внутри материала разрываются тепловой энергией окружающей среды, и некоторые электроны из валентной зоны перекачиваются в зону проводимости. Этот процесс приводит к некоторому отсутствию электронов в валентной зоне. Образуются электронные и дырочные пары. В то же время число электронов в зоне проводимости еще больше увеличивается за счет добавления пятивалентных примесей без добавления дырок, которые уже существуют внутри кристалла. Таким образом, количество электронов равно донорным электронам плюс тепловым электронам при комнатной температуре. Это тепловое возбуждение производит очень меньше пар электронов и дырок, тогда как добавленная примесь отдает больше электронов. Электроны основных носителей заряда имеют порядок 1024, тогда как дырки неосновных носителей заряда имеют порядок 108 при 300 К9.0003
Рисунок 6.13: Легированный атом мышьяка в ковалентной связи с атомами кремния с образованием полупроводника N-типа.
Следовательно, основными носителями заряда в этом материале являются электроны (см. рис. 6.13). Электрон несет отрицательный заряд, поэтому его называют полупроводником N-типа, а проводимость обусловлена большим количеством электронов. Поскольку число электронов в зоне проводимости больше числа дырок в валентной зоне, в полупроводнике N-типа уровень Ферми лежит ближе к зоне проводимости.
Полупроводник P-типа:
Когда трехвалентный элемент, такой как индий, алюминий, бор, легируется чистым кремнием, добавленные примесные атомы замещают некоторые атомы кремния здесь и там в кристалле и образуют ковалентную полосу с соседними атомы. Индий имеет три электрона, но этот индий покрыт четырьмя атомами кремния, как показано на рис. 6.14. Так, одна из ковалентных связей не завершается путем обмена электронами между ними. Отсутствие электрона создает дырку.
Рисунок 6.14 : Легированный атом алюминия в ковалентной связи с атомами кремния для получения полупроводника P-типа
Индию требуется еще один электрон для завершения ковалентной зоны. Итак, индий является акцептором электронов. Теперь этот внешний полупроводник получает тепловую энергию от окружающей среды при комнатной температуре. Поэтому часть электронов поглощает эту тепловую энергию и переходит в зону проводимости.
Это создает пару электронов и дырок из-за теплового возбуждения. Таким образом, общее количество дырок в валентной зоне обусловлено атомом донора плюс термически сгенерированными дырками.
Дырки составляют большинство, а электроны составляют меньшинство. Следовательно, проводимость обусловлена основными носителями заряда, которые являются дырками. Здесь дырки ведут себя как носители положительного заряда. Поэтому этот материал называется P-типом. Поскольку количество дырок в валентной зоне больше, чем количество электронов в зоне проводимости, уровень Ферми лежит ближе к валентной зоне в полупроводнике P-типа.
Разница между проводником-полупроводником и изолятором
Основное различие между проводником-полупроводником и изолятором заключается в том, что проводники обладают высокой электропроводностью, а полупроводники демонстрируют промежуточную электропроводность, тогда как изоляторы демонстрируют пренебрежимо малую электропроводность.
Проводники, полупроводники и изоляторы — это три категории, к которым мы можем отнести любой материал в зависимости от электропроводности.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Обзор и основные отличия
2. Что такое проводник
3. Что такое полупроводник
4. Что такое изолятор
5. Проводник, полупроводник и изолятор в табличной форме
6. Резюме
Что такое проводник?
Проводник или электрический проводник — это объект электротехники, в котором допускается протекание заряда в одном или нескольких направлениях. Другими словами, проводящие материалы могут проводить через себя электрический ток. Наиболее распространенными электрическими проводниками являются металлы и металлические предметы. В этих материалах электрические токи генерируются за счет потока отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных дырок, а иногда и за счет присутствия положительных и отрицательных ионов.
Что еще более важно, когда электрический ток проходит через проводник, заряженной частице нет необходимости перемещаться от места, где возникает ток, к месту, где происходит потребление тока. Здесь заряженные частицы имеют тенденцию подталкивать своих соседей на конечное количество энергии, и это происходит как цепная реакция между соседними частицами, когда частицы в конце цепи подталкивают энергию к объекту-потребителю. Следовательно, мы можем наблюдать длинноцепочечный перенос импульса между подвижными носителями заряда.
Рисунок 01: Электрический проводник
При рассмотрении двух важных фактов о сопротивлении и проводимости относительно проводника сопротивление зависит от состава материала и его размеров, тогда как проводимость зависит от сопротивления. Кроме того, большое влияние на это оказывает и температура проводника. Не только металлы, но могут быть и другие формы проводников, включая электролиты, полупроводники, сверхпроводники, плазменные состояния и некоторые неметаллические проводники, включая графит.
Что такое полупроводник?
Полупроводники — это материалы, значение электропроводности которых находится между значениями проводимости проводников и изоляторов. Что еще более важно, удельное сопротивление этих материалов имеет тенденцию падать при повышении температуры. Кроме того, мы можем изменить проводимость полупроводников, вводя примеси (этот процесс называется «легированием») в кристаллическую структуру материала. Таким образом, мы можем использовать эти материалы для различных приложений с большим значением.
Две области с разнолегированными структурами в одной и той же кристаллической структуре создают полупроводниковый переход. Эти переходы лежат в основе поведения носителей заряда в диодах, транзисторах и другой современной электронике.
Некоторые распространенные примеры полупроводниковых материалов включают кремний, германий, арсенид галлия и металлоидные элементы. Наиболее распространенные материалы, которые используются для формирования полупроводников, включают лазерные диоды, солнечные элементы. Микроволновые интегральные схемы и т. д. изготавливаются из кремния и германия.
Рисунок 02: Полупроводник – кремний
После процесса легирования количество носителей заряда в кристаллической структуре быстро увеличивается. В полупроводнике могут быть свободные дырки или свободные электроны, которые способствуют проводимости. Если в материале больше свободных дырок, то его называют полупроводником «р-типа», а если есть свободные электроны, то он относится к «n-типу». В процессе легирования мы можем добавлять такие материалы, как пятивалентные химические элементы, включая сурьму, фосфор или мышьяк, или трехвалентные атомы, такие как бор, галлий и индий. Кроме того, мы можем увеличить проводимость полупроводников также за счет повышения температуры.
Что такое изолятор?
Изоляторы — это материалы, которые не могут проводить свободный электрический ток. Это связано с тем, что атомы этого типа материала имеют электроны, которые прочно связаны с атомами и не могут легко двигаться. При рассмотрении свойства удельного сопротивления удельное сопротивление очень велико по сравнению с проводниками и полупроводниками. Неметаллы являются наиболее распространенными примерами изоляторов.
Однако идеальных изоляторов не существует, поскольку они содержат небольшое количество подвижных зарядов, способных переносить электрический ток. Кроме того, все изоляторы имеют тенденцию становиться электропроводящими, когда к материалу приложено достаточное количество напряжения, которое может оторвать электроны от атомов. Это напряжение пробоя изолятора.
Существуют различные способы использования изоляторов, в том числе производство электрооборудования для поддержки и разделения электрических проводников, не позволяя току протекать через них самих. Кроме того, гибкое покрытие изолятора обычно используется для электрических проводов и кабелей для изготовления изолированных проводов. Это связано с тем, что провода, которые могут соприкасаться друг с другом, создают перекрестное соединение, короткое замыкание и опасность возгорания.
В чем разница между полупроводником-проводником и изолятором?
Проводники, полупроводники и изоляторы — это три категории, к которым мы можем отнести любой материал в зависимости от электропроводности. Ключевое различие между проводником-полупроводником и изолятором заключается в том, что проводники обладают высокой электропроводностью, а полупроводники — промежуточной проводимостью, тогда как изоляторы демонстрируют пренебрежимо малую проводимость.
В следующей таблице перечислены различия между проводником, полупроводником и изолятором для параллельного сравнения.
Резюме. Проводник, полупроводник и изолятор
Проводники, полупроводники и изоляторы — это три категории, к которым мы можем отнести любой материал в зависимости от его электропроводности. Ключевое различие между проводником-полупроводником и изолятором заключается в том, что проводники обладают высокой электропроводностью, а полупроводники — промежуточной проводимостью, тогда как изоляторы демонстрируют пренебрежимо малую проводимость.
Артикул:
1. «Изолятор». Encyclopædia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Изображение предоставлено:
CC BY 3.0) через Commons Wikimedia
Основы электроники: что такое полупроводник?
Автор: Дуг Лоу и
Обновлено: 17 сентября 2021 г.
Из книги: Electronics All-in-One For Dummies
Electronics All-in-One For Dummies
Исследовать книгу Купить на Amazon
Полупроводники широко используются в электронных схемах. Как следует из названия, полупроводник — это материал, проводящий ток, но лишь частично. Проводимость полупроводника находится где-то между проводимостью изолятора, который почти не имеет проводимости, и проводника, который имеет почти полную проводимость. Большинство полупроводников представляют собой кристаллы из определенных материалов, чаще всего из кремния.Чтобы понять, как работают полупроводники, вы должны сначала немного разобраться в том, как электроны организованы в атоме. Электроны в атоме организованы слоями. Эти слои называются оболочками . Самая внешняя оболочка называется оболочкой валентности .
Электроны этой оболочки образуют связи с соседними атомами. Такие связи называются ковалентными связями . Большинство проводников имеют только один электрон на валентной оболочке. Полупроводники, с другой стороны, обычно имеют четыре электрона в своей валентной оболочке.
Полупроводники состоят из кристаллов
Если все соседние атомы одного типа, все валентные электроны могут связываться с валентными электронами других атомов. Когда это происходит, атомы организуются в структуры, называемые кристаллами . Полупроводники сделаны из таких кристаллов, обычно кристаллов кремния.Здесь каждый кружок представляет атом кремния, а линии между атомами представляют общие электроны. Каждый из четырех валентных электронов в каждом атоме кремния является общим с одним соседним атомом кремния. Таким образом, каждый атом кремния связан с четырьмя другими атомами кремния.
Чистые кристаллы кремния не так уж полезны в электронике. Но если ввести в кристалл небольшое количество других элементов, кристалл начинает вести себя интересным образом.
Два типа проводников
Процесс преднамеренного введения в кристалл других элементов называется легированием . Элемент, введенный легированием, называется легирующей примесью . Тщательно контролируя процесс легирования и используемые примеси, кристаллы кремния могут превращаться в один из двух различных типов проводников:Полупроводник N-типа: Создается, когда легирующей примесью является элемент с пятью электронами в валентном слое.
Для этой цели обычно используется фосфор.Атомы фосфора соединяются прямо в кристаллической структуре кремния, каждый из которых связывается с четырьмя соседними атомами кремния точно так же, как атом кремния. Поскольку атом фосфора имеет пять электронов на своей валентной оболочке, но только четыре из них связаны с соседними атомами, пятый валентный электрон остается висящим, и ему не с чем связываться.
Дополнительные валентные электроны в атомах фосфора начинают вести себя как одновалентные электроны в обычном проводнике, таком как медь. Они могут свободно передвигаться. Поскольку этот тип полупроводника имеет дополнительные электроны, он называется полупроводником N-типа .
Полупроводник P-типа: Происходит, когда легирующая примесь (например, бор) имеет только три электрона на валентной оболочке. Когда небольшое количество включено в кристалл, атом способен соединиться с четырьмя атомами кремния, но, поскольку он предлагает только три электрона, отверстие создано.
Дырка ведет себя как положительный заряд, поэтому полупроводники, легированные таким образом, называются полупроводниками P-типа. Подобно положительному заряду, дырки притягивают электроны. Но когда электрон движется в дыру, электрон покидает новую дыру на прежнем месте. Таким образом, в полупроводнике P-типа дырки постоянно перемещаются внутри кристалла, поскольку электроны постоянно пытаются их заполнить.
Об этой статье
Эта статья взята из книги:
- Electronics All-in-One For Dummies,
Об авторе книги:
Дуг Лоу — автор бестселлеров более 80 908 книг для чайников.
