Проводники, полупроводники и непроводники | 8 класс

Содержание

В прошлом уроке мы уже упоминали о проводниках и диэлектриках. Мы определили их как вещества, в которых присутствуют или отсутствуют свободные электроны. Именно они осуществляют перенос электрического заряда. В проводниках они есть, а в диэлектриках — нет.

И все же, главная особенность, которую мы будем рассматривать — это способность проводить ток или передавать электрический заряд. По этой способности вещества делят на три основных класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. На данном уроке мы дадим определение каждому классу веществ, рассмотрим природу полупроводников, с которыми мы раньше не встречались. 

Проводники

Начнем с определения.

Проводник — это тело, через которое электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Примеры проводников:

• металлы
• почва
• вода с растворенными в ней солями, кислотами или щелочами
• графит
Рисунок 1. Металлы — лучшие проводники электричества

Самыми лучшими проводниками являются металлы (рисунок 1). Максимальной проводимостью обладают серебро, медь и алюминий.

Наши тела тоже проводят электричество. Мы являемся очень своеобразными проводниками. Это легко проверить, дотронувшись до любого заряженного тела, например, до лепестков электроскопа. Заряд перейдет на нас, а затем уйдет через пол в землю.

Во всех этих веществах и в нашем теле есть свободные электроны, которые и переносят заряд.

{"questions":[{"content":"Проводниками являются [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Тело человека","Сталь","Медь","Земля","Стекло","Пластмасса","Кремний"],"answer":[0,1,2,3]}}}]}

Непроводники

Дадим определение.

Диэлектрик/непроводник — это тело, через которое электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Примеры диэлектриков:

• эбонит
• янтарь
• резина
• фарфор
• пластмасса
• шелк
• масло
• капрон
• воздух и газы
• стекло
• сухое дерево
Рисунок 2. Сухое дерево — отличный диэлектрик

Все эти вещества объединяет отсутствие свободных электронов. Они же применяются для изготовления изолятов или изоляции.

{"questions":[{"content":"В диэлектриках электрические заряды[[choice-9]]","widgets":{"choice-9":{"type":"choice","options":["Не могут переходить от заряженного тела к незаряженному","Могут переходить от заряженного тела к незаряженному","Могут переходить от заряженного тела к незаряженному в зависимости от условий"],"explanations":["","Это относится к проводниками.","Это относится к полупроводникам."],"answer":[0]}}}]}

Полупроводники

Эти тела по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками.

Полупроводник — это  тело, которое не проводит электричество при низких температурах, но начинают проводить электричество при более высоких температурах.

Что это означает? Дело в том, что при низкой температуре полупроводники являются диэлектриками. Они не способны передать какой-то заряд. 

Повысим температуру. Атомы вещества начинают сильнее колебаться около положений своего равновесия. Эти колебания достигают такой силы, что электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов (валентные электроны) становятся свободными. Так полупроводник становится проводником.

Какой характерной особенностью обладают полупроводники? С повышением температуры их проводимость возрастает. Интересно, что у металлов она, наоборот, будет уменьшаться.

Обратите внимание, что эта температура не всегда является очень высокой. Например, для кремния и германия она составляет около $20 \degree C$.

Примеры полупроводников:

• оксиды и сульфаты металлов
• германий
• кремний
• некоторые органические вещества

Из-за своих свойств полупроводники широко применяются в технике. Часто их используют как своеобразные термометры. Например, их используют как температурно зависимые резисторы. Это позволяет контролировать протекание тока при определенных температурах. Когда она достигает критической отметки, какой-то участок цепи перестает проводить ток или, наоборот, начинает. Более подробно об электрической цепи и ее составляющих мы будем говорить в следующих уроках.

{"questions":[{"content":"При низких температурах полупроводник ведет себя как[[choice-14]]","widgets":{"choice-14":{"type":"choice","options":["Диэлектрик","Проводник","Плазма","Металл"],"explanations":["","Полупроводники ведут себя как проводники при высоких температурах.","","Металлы являются проводниками."],"answer":[0]}}}]}

Полупроводники начинают проводить электричество и при других воздействиях на них:

• воздействие света
• пропускание потока быстрых частиц
• введение примесей
Рисунок 3. Под воздействие света полупроводники начинают проводить электричество

Фотопроводимость — это явление повышения проводимости вещества под воздействием света.

Это явление позволяет использовать полупроводники в системах дистанционного управления и сигнализации. Можно сказать, что область применения полупроводников в технике сама по себе очень широка. Они являются составной частью микросхем в телевизорах, компьютерах, радио, используются при создании транзисторов, диодов и др.

{"questions":[{"content":"Полупроводники могут начать проводить электричество при [[choice-20]]","widgets":{"choice-20":{"type":"choice","options":["Воздействии света","Повышении температуры","Введении специальных примесей","Понижении температуры","Электризации"],"answer":[0,1,2]}}}]}

Проводимость и электризация

Отметим важный момент. Никогда не стоит путать электризацию и проводимость.

Тела, не являющиеся проводниками, вполне могут обладать способностью наэлектризовываться.

Электризация происходит при непосредственном соприкосновении тел. Проводимость же возникает внутри тела.

В ходе электризации одно тело теряет электроны, а другое приобретает. Проводимость или электрический ток (подробнее в следующем уроке) описывает упорядоченное движение частиц внутри тела.

{"questions":[{"content":"Стекло является [[fill_choice-25]], но оно может [[fill_choice-29]].","widgets":{"fill_choice-25":{"type":"fill_choice","options":["диэлектриком","проводником","полупроводником"],"answer":0},"fill_choice-29":{"type":"fill_choice","options":["наэлектризоваться","проводить электричество","стать полупроводником в определенных условиях"],"answer":0}}}]}

Упражнения

Упражнение №1

Почему заряженный электроскоп разряжается, если его шарика коснуться рукой?

Наше тело является проводником электричества. Когда мы касаемся шарика заряженного электроскопа, заряд (свободные электроны) переходит в наше тело. При нашем соприкосновении с полом и землей, заряд уйдет туда. Так происходит, если электроскоп заряжен отрицательно.

Если же электроскоп заряжен положительно, то коснувшись его, мы нейтрализуем заряд, сообщив ему некоторое количество электронов. Ведь, являясь проводником, в нашем теле имеется большое количество свободных электронов.

Упражнение №2

Почему стержень электроскопа изготавливают из металла?

Металлы — хорошие проводники. Металлический стержень может передавать заряд от шара к лепесткам.

Если сделать стержень из диэлектрика, то заряд передаваться не будет, электроскоп окажется нерабочим.

Упражнение №3

К шарику незаряженного электроскопа подносят тело, заряженное положительно, не касаясь его. Какой заряд возникнет на листочках электроскопа?

Обратите внимание, что тело не касается электроскопа. При его приближении на шаре образуется отрицательный заряд, а на лепестках — положительный.

Электрическое поле положительно заряженного тела будет действовать на электроскоп, свободные электроны придут в движение. Силы притяжения между разноименными зарядами заставят их собраться на шаре. В другой части электроскопа (на лепестках) образуется недостаток электронов, образуется положительный заряд.

Знакомство с проводниками, полупроводниками и диэлектриками: технические характеристики

Что главное в материалах, которые используются для электричества? Главным их свойством является токопроводимость. Такие материалы делятся на три вида — проводники, полупроводники, диэлектрики.

Сегодняшняя статья посвящена именно этим материалам. Мы подробно рассмотрим что они из себя представляют, для чего используются и каким образом пропускают ток.

Итак, начнем с проводника

Проводник — это материя, которая состоит из свободных носителей заряженных частиц. При движении этих частиц возникает тепловая энергия, поэтому ему дали название — тепловое движение.

Есть два основных параметра проводника — сопротивление, обозначается буквой R или же проводимость, обозначается буквой G. Проводимость это показатель противоположный сопротивлению — G=1/R.

То есть проводник — это материал, который ведет ток.

Что же является проводником. Металлы — лучшие проводники, особенно медь и алюминий. Также проводниками являются солевые растворы, влажный грунт, углерод. Последний нашел широкое применение в работе со скользящими связями.

Примером такого применения являются щетки в электрическом двигателе. Человеческое тело — тоже проводник электрического тока. Но электропроводные свойства у вышеперечисленных материалов все же ниже, чем в металлах.

Сама структура металлов предполагает в себе огромное количество свободных заряженных частиц, что и делает их лучшими проводниками.

Когда металл попадает под действие электрических полей, то происходит процесс так называемой электроиндукции. То есть заряженные частицы начинают активно двигаться и распределятся.

Перейдем к диэлектрикам

Диэлектрик — это материя, которая не подчиняется воздействию электрического поля, то есть не пропускает через себя ток, а если и пропускает, то в незначительном количестве.

Происходит это потому, что они не обладают свободно передвигающимися частицами — носителями тока, поскольку в них очень сильная атомная связь.

В жизни такими веществами выступают резина, керамические компоненты, стекло, отдельные виды смол, дистиллированная вода,  карбонит, фарфор, текстолит, а так же сухое дерево и так далее.

Именно благодаря свои свойствам, вышеперечисленные материалы являются основой корпусов различных электрических приборов, выключателей, розеток, вилок и других приспособлений, которые контактируют с электричеством непосредственно.

Изоляционные элементы в сетях также изготовляются из диэлектрических материалов.

Но, не все так просто и с диэлектриками. Если пропускать через них ток выше нормы, хранить их или устанавливать в среде с высокими показателями влажности или неправильно их использовать, то можно вызвать такое явление, как «пробой изолятора» — это означает, что материал диэлектрика теряет свои токонепроводимые функции и становится проводником.

То есть, если в двух словах описать ситуацию, то основное в диэлектрике — это его электроизоляционные способности. Таким образом эти приборы помогают нам защититься от травмирующего воздействия электричества.

Свойства диэлектрика измеряются его электрической прочностью — это показатель, который равняется с напряжением пробоя диэлектрика.

И наконец мы дошли до полупроводников

 Полупроводники называются так, потому что у них есть свойство проводить ток, но не всегда. Для этого данному веществу необходимо создать специальные условия. Нужно подать к нему энергию в определенным  количестве.

Свои свойства полупроводник имеет потому, что в его структуре очень мало частиц, являющихся свободными носителями, а может быть такое, что их там вовсе нет. Но, стоит повлиять на них определенной энергией — и они появляются и активно двигаются.

Энергия может быть не только электрической, также можно воздействовать тепловой энергией, или различными излучениями. Например, свободно движущиеся элементы появляются при влиянии излучения в УФ-Спектре.

Материалами с такими свойствами являются германий, кремний, так же это может быть смешение арсенида и гелия, мышьяк, селен и прочие.

Применение полупроводников может быть различное. Из данного материала делают микросхемы, светодиоды, транзисторы, диоды и многое другое.

Для того, чтоб более подробно объяснить работу полупроводника, применим к нему так называемую зонную теорию. Упомянутая теория объясняет существование или неимение свободных заряженных частиц в отношении конкретных энергетических уровней.

Энергетический уровень (слой) — это число простых частиц, таких как молекул, атомов, то есть электронов. Данный показатель измеряется в Электронвольтах (ЭВ).

Следует обратить внимание на то, что слои проводника составляют непрерывную диаграмму от зоны валентности и до зоны проводимости. Если эти две зоны осуществляют накладку друг на друга, то возникает зона перекрытия.

В соответствии с влиянием некоторых влияний, например электрических полей, температурного режима и прочего, число электронов может меняться.

Исходя из вышеописанных процессов электроны при минимальной энергетическом воздействии начинают движение в проводнике.

Полупроводники между двумя вышеупомянутыми зонами имеют еще зону запрещенную. Величина данной зоны показывает количество той энергии, которой будет достаточно для проведения тока.

Диэлектрики по структуре похожи на полупроводники, но их защитный шар намного больше благодаря внутренним связям материала.

Мы рассказали о главных свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков. Можно сделать вывод, что отличаются они друг от друга своей проводимостью тока. Именно из-за этого у каждого материала есть своя зона применения.

Так, проводники применяются там, где нужна стопроцентная проводимость тока.

Использование диэлектриков приходится на изготовление различной  изоляции токопроводящих участков.

Ну, а полупроводники активно применяют в электронике.

Думаем, данная статья раскрыла перед вами все нюансы работы проводников, диэлектриков и полупроводников, их основные отличия и сферы применения.

Проводники, полупроводники и диэлектрики | Глоссарий

№ п/п	Новое понятие	Содержание
1	2	3
1	Активные диэлектрики	материалы, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники
2	Алмазоподобные полупроводники	соединения, кристаллическая структура которых характеризуется тетраэдрической координацией атомов, как это имеет место в решетке алмаза
3	Время жизни носителей заряда	время, в течение которого их избыточная концентрация уменьшается в е раз (е — основание натурального логарифма). Фактически это время существования носителя заряда от момента его возникновения (генерации) до момента исчезновения (рекомбинации)
4	Вырожденный полупроводник	полупроводник с такой высокой концентрацией введенной примеси, при которой образовавшаяся примесная зона перекрывается с зоной проводимости
5	Диффузионная длина	расстояние, на которое носитель заряда продвинется за счет диффузии за время своей жизни. Чем меньше примесей и дефектов в кристаллической решетке исходного полупроводника, тем больше время жизни и диффузионная длина носителей заряда
6	Диэлектрики	вещества, которые практически не проводят электрический ток. Диэлектрики бывают твердыми, жидкими и газообразными
7	Диэлектрическая восприимчивость	способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле
8	Диэлектрическая проницаемость	отношение емкости конденсатора, в котором в качестве изолятора использован исследуемый диэлектрик, к емкости такого же конденсатора, изолятором в котором является вакуум
9	Домены	макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике
10	Зонная теория	объяснение электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков основе квантовой теории строения кристаллических тел
11	Керметы	металлодиэлектрические композиции с неорганическим связующим для изготовления тонкопленочных резисторов
12	Константан	сплав меди и никеля (60% Cu, 40% Ni), применяемый для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочая температура не превышает 400–450°С
13	Контактолы	вещества, используемые в качестве токопроводящих клеев, красок, покрытий и эмалей, представляющие собой маловязкие либо пастообразные полимерные композиции
14	Критическая температура перехода (Тсв)	температура, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние
15	Манганин	основной сплав на медной основе (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni. )для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов
16	Металлическая связь	связь, обусловленная взаимодействием свободных валентных электронов с положительно заряженными ионами металлов
17	Металлические сплавы	однофазные или многофазные смеси различных металлов
18	Металлы	вещества, обладающие высокими теплопроводностью, электропроводностью, ковкостью, пластичностью и прочностью, а также характерным блеском
19	Пассивные диэлектрики	электроизоляционные материалы для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга элементы схемы или конструкции, находящиеся под различными электрическими потенциалами
20	Пироэлектрики	диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом
21	Пироэлектрический эффект	изменение спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры
22	Подвижность носителей заряда	отношение их средней скорости направленного движения к напряженности электрического поля. В полупроводниках n— и р-типов различают подвижность электронов и подвижность дырок
23	Полупроводники	вещества, которые по величине удельной электрической проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками
24	Поляризация	процесс, характеризующийся возникновением электрического дипольного момента каждого элементарного объема диэлектрика при помещении его во внешнее электрическое поле
25	Примесные полупроводники	полупроводники, электрофизические свойства которых определяются типом и количеством введенной примеси. В зависимости от типа введенной примеси различают полупроводники электронного — n-типа и дырочного — р-типа электропроводности
26	Проводниковые материалы	материалы, основными электрическими свойствами которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре
27	Прямой пьезоэлектрический эффект	явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений
28	Пьезоэлектрики	диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом
29	Сверхпроводимость	резкое уменьшение удельного сопротивления, наблюдаемое при температурах, близких к абсолютному нулю
30	Сегнетоэлектрики	вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля
31	Собственный полупроводник	полупроводник, в котором влиянием остаточных примесей при определенной температуре можно пренебречь
32	Фононы	кванты тепловой энергии
33	Фотопроводимость полупроводников	изменение электропроводности полупроводников при освещении светом
34	Электрет	тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле, т. е. электрет является формальным аналогом постоянного магнита
35	Эпитаксия	ориентированное наращивание одного кристаллического вещества на поверхности другого кристалла, служащего подложкой

Проводники, диэлектрики и полупроводники — презентация онлайн

Prezentacii.com
Полупроводники


2. 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.
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.
Металлы , уголь, кислоты,
растворы солей, щелочи,
живые организмы
и многие другие тела и вещества.
Тела и вещества, в которых нельзя создавать
электрический ток , называют
непроводниками тока.
Воздух, стекло, парафин, слюда,
лаки, фарфор, резина, пластмассы,
различные смолы,
маслянистые жидкости,
сухое дерево, сухая ткань,
бумага и другие вещества.
Непроводники
Непроводники
Проводники
ПроводникиПолупроводники
(диэлектрики)
(диэлектрики)
Полупроводники по электропроводности занимают
промежуточное место между проводниками и непроводниками.
Период
Полупроводники
Группа
III
IV
Y
1
VI
VII
Бор B, углерод C, кремний Si
фосфор Р, сера S, германий Ge,
мышьяк As, селен Se, олово Sn,
F сурьма Sb, теллур Te и йод I.
B C N O
3
Al Si P
S Cl
4 Ga Ge As Se Br
Полупроводники
5
In Sn — это
SbрядTe
I
элементов таблицы
6
Tl большинство
Pb Bi Po Al
Менделеева,
2
минералов, различные
окислы, сульфиды,
теллуриды и другие
химические соединения.
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.
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.
Ge
Собственная
(электронно-дырочная)
электрическая проводимость.
Собственная электрическая проводимость
ρ
ρ0
ρ
ρмет = f(Т)
= f(Т)
?
Зависимость удельного
полуп
сопротивления
ρ металла от
абсолютной температуры T
При
увеличении
температуры
полупроводника в
Повысим
температуру
полупроводника.
единицу времени образуется большее количество
электронно-дырочных пар.
Т
Валентные электроны в
Пригермания
повышении
кристалле
связаны с
температуры
некоторая
атомами гораздо сильнее, чем
частьв валентных
электронов
металлах; поэтому
может
получить
энергию,
концентрация
электронов
достаточную при
длякомнатной
разрыва
проводимости
ковалентных
связей.в Тогда в
температуре
кристалле возникнут
полупроводниках
на много
свободные
электроны
порядков
меньше,
чем у
(электроны
проводимости).
металлов.
Вблизи
абсолютного
Одновременно
местах
нуля
температуры вв кристалле
разрыва
связей
образуются
германия
все электроны
вакансии,
которые не связей.
заняты
заняты в образовании
электронами.
вакансии
Такой
кристалл Эти
электрического
получили
название
дырок.
тока не
проводит.
Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется
только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников и поэтому
называется собственной электрической проводимостью.
Собственная
(электронно-дырочная)
электрическая
проводимость.
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.
Проводимость полупроводников
при наличии примесей называется
примесной проводимостью.
Примесная (электроннодырочная) электрическая
проводимость.
Примесная
Примесная
(электронная)
(дырочная)
электрическая
проводимость.
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.
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.
Эмиттер Э
База Б
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 попрежнему 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
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.
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.
I, мA
Прямой ток
U, В
Обратный ток
Пробой
Переменный ток
Переменный ток
Рассмотрим понятие «переменный ток» на самом простом уровне.
I
t
Чем быстрее вращается рамка,
тем больше частота переменного
тока.
Синусоидальный характер
T
I
t
Т – период переменного тока. Это
наименьший промежуток времени
(выраженный в секундах), через
который изменения силы тока (и
напряжения) повторяются
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.
Перемеенный ток — электрический ток, который периодически
изменяется по модулю и направлению.
Выпрямление
переменного тока
I
Переменный ток
t
T/2
++
—
~
I
Rн
t
Далее процесс повторяется…
Дальнейшее содержание слайда
в полной версии презентации.
Светодиоды
Дополнительный материал.


Чем отличается проводники от полупроводников. Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики. Многожильная жила или монолит

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

Что такое проводник

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

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

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

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

Что такое диэлектрик

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

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

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

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

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

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

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

Зонная теория

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

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

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

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

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

Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

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

В электротехнике применяются различные материалы. Электрические свойства веществ определяются количеством электронов на внешней валентной орбите. Чем меньше электронов находится на этой орбите, тем слабее они связаны с ядром, тем легче могут отправиться путешествовать.

Под воздействием температурных колебаний электроны отрываются от атома и перемещаются в межатомном пространстве. Такие электроны называют свободными, именно они и создают в проводниках электрический ток. А велико ли межатомное пространство, есть ли простор для путешествия свободных электронов внутри вещества?

Структура твердых тел и жидкостей кажется непрерывной и плотной, напоминающей по структуре клубок ниток. Но на самом деле даже твердые тела больше похожи на рыболовную или волейбольную сеть. На бытовом уровне этого конечно не разглядеть, но точными научными исследованиями установлено, что расстояния между электронами и ядром атомов намного превышают их собственные размеры.

Если размер ядра атома представить в виде шара размером с футбольный мяч, то электроны в такой модели будут размером с горошину, а каждая такая горошина расположена от «ядра» на расстоянии в несколько сотен и даже тысяч метров. А между ядром и электроном пустота — просто ничего нет! Если в таком же масштабе представить расстояния между атомами вещества, размеры получатся вообще фантастические, — десятки и сотни километров!

Хорошими проводниками электричества являются металлы . Например, атомы золота и серебра имеют на внешней орбите всего по одному электрону, поэтому именно они являются наилучшими проводниками. Железо тоже электричество проводит, но несколько хуже.

Еще хуже проводят электричество сплавы с высоким сопротивлением . Это нихром, манганин, константан, фехраль и другие. Такое многообразие высокоомных сплавов связано с тем, что они предназначены для решения различных задач: нагревательные элементы, тензодатчики, образцовые резисторы для измерительных приборов и многое другое.

Для того, чтобы оценить способность материала проводить электричество было введено понятие

«удельная электропроводность» . Обратное значение — удельное сопротивление . В механике этим понятиям соответствует удельный вес.

Изоляторы , в отличие от проводников, не склонны терять электроны. В них связь электрона с ядром очень прочная, и свободных электронов почти нет. Точнее есть, но очень мало. При этом в некоторых изоляторах их больше, а качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и бумагу. Поэтому изоляторы условно можно разделить на хорошие и плохие.

Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры изоляционные свойства ухудшаются, некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра.

Аналогично удельное сопротивление идеального проводника было бы равно нулю. Но такого проводника к счастью нет: представьте себе, как бы выглядел закон Ома ((I = U/R) с нулем в знаменателе!!! Прощай математика и электротехника.

И лишь при температуре абсолютного нуля (-273,2C°) тепловые колебания полностью прекращаются, а самый плохой изолятор становится достаточно хорошим. Для того, чтобы определить численно «это» плохой — хороший пользуются понятием удельного сопротивления. Это сопротивление в Омах кубика с длиной ребра в 1 см, размерность удельного сопротивления при этом получается в Ом/см. Удельное сопротивление некоторых веществ показано ниже. Проводимость это величина обратная удельному сопротивлению, — единица измерения Сименс, — 1См = 1 / Ом.

Хорошую проводимость или малое удельное сопротивление имеют: серебро 1,5*10^(-6), читать, как (полтора на десять в степени минус шесть), медь 1,78*10^(-6), алюминий 2,8*10^(-6). (-4). Эти сплавы можно назвать плохими проводниками. После всех этих сложных цифр следует подставить Ом/см.

Далее в отдельную группу можно выделить полупроводники: германий 60 Ом/см, кремний 5000 Ом/см, селен 100 000 Ом/см. Удельное сопротивление этой группы больше, чем у плохих проводников, но меньше, чем у плохих изоляторов, не говоря уже о хороших. Наверное, с тем же успехом полупроводники можно было назвать полуизоляторами.

После такого короткого знакомства со строением и свойствами атома следует рассмотреть, как атомы взаимодействуют между собой, как атомы взаимодействуют между собой, как из них получаются молекулы, из которых состоят различные вещества. Для этого снова придется вспомнить об электронах на внешней орбите атома. Ведь именно они участвуют в связи атомов в молекулы и определяют физические и химические свойства вещества.

Как из атомов получаются молекулы

Любой атом находится в стабильном состоянии, если на его внешней орбите находится 8 электронов. Он не стремится забрать электроны у соседних атомов, но не отдает и свои. Чтобы убедиться в справедливости этого достаточно в таблице Менделеева посмотреть на инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон. Каждый из них на внешней орбите имеет 8 электронов, чем и объясняется нежелание этих газов вступать в какие — либо отношения (химические реакции) с другими атомами, строить молекулы химических веществ.

Совсем по-другому обстоит дело у тех атомов, у которых на внешней орбите нет заветных 8 электронов. Такие атомы предпочитают объединиться с другими, чтобы за счет них дополнить свою внешнюю орбиту до 8 электронов и обрести спокойное стабильное состояние.

Вот, например, всем известная молекула воды h3O. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как показано на рисунке 1 .

Рисунок 1

В верхней части рисунка показаны отдельно два атома водорода и один атом кислорода. На внешней орбите кислорода находятся 6 электронов и тут же поблизости два электрона у двух атомов водорода. Кислороду до заветного числа 8 не хватает как раз двух электронов на внешней орбите, которые он и получит, присоединив к себе два атома водорода.

Каждому атому водорода для полного счастья не хватает 7 электронов на внешней орбите. Первый атом водорода получает на свою внешнюю орбиту 6 электронов от кислорода и еще один электрон от своего близнеца — второго атома водорода. На его внешней орбите вместе со своим электроном теперь 8 электронов. Второй атом водорода тоже комплектует свою внешнюю орбиту до заветного числа 8. Этот процесс показан в нижней части рисунка 1 .

На рисунке 2 показан процесс соединения атомов натрия и хлора. В результате чего получается хлористый натрий, который продается в магазинах под названием поваренная соль.

Рисунок 2 . Процесс соединения атомов натрия и хлора

Здесь тоже каждый из участников получает от другого недостающее количество электронов: хлор к своим собственным семи электронам присоединяет единственный электрон натрия, в то время, как свои отдает в распоряжение атома натрия. У обоих атомов на внешней орбите по 8 электронов, чем достигнуто полное согласие и благополучие.

Валентность атомов

Атомы, у которых на внешней орбите содержится 6 или 7 электронов, стремятся присоединить к себе 1 или 2 электрона. Про такие атомы говорят, что они одно или двухвалентны. А вот если на внешней орбите атома 1, 2 или 3 электрона, то такой атом стремится их отдать. В этом случае атом считается одно, двух или трехвалентным.

Если на внешней орбите атома содержится 4 электрона, то такой атом предпочитает объединиться с таким же, у которого тоже 4 электрона. Именно так объединяются атомы германия и кремния, использующиеся в производстве транзисторов. В этом случае атомы называются четырехвалентными. (Атомы германия или кремния могут объединяться и с другими элементами, например, кислородом или водородом, но эти соединения в плане нашего рассказа неинтересны.)

На рисунке 3 показан атом германия или кремния, желающий объединиться с таким же атомом. Маленькие черные кружочки — это собственные электроны атома, а светлые кружки обозначают места, куда попадут электроны четырех атомов — соседей.

Рисунок 3 . Атом германия (кремния).

Кристаллическая структура полупроводников

Атомы германия и кремния в периодической таблице находятся в одной группе с углеродом (химическая формула алмаза C,- это просто большие кристаллы углерода, полученные при определенных условиях), и поэтому при объединении образуют алмазоподобную кристаллическую структуру. Образование подобной структуры показано, в упрощенном, конечно, виде на рисунке 4 .

Рисунок 4 .

В центре куба находится атом германия, а по углам расположены еще 4 атома. Атом, изображенный в центре куба, своими валентными электронами связан с ближайшими соседями. В свою очередь угловые атомы отдают свои валентные электроны атому, расположенному в центре куба и соседям, — атомам на рисунке не показанным. Таким образом, внешние орбиты дополняются до восьми электронов. Конечно, никакого куба в кристаллической решетке нет, просто он показан на рисунке, чтобы было понятно взаимное, объемное расположение атомов.

Но для того, чтобы максимально упростить рассказ о полупроводниках, кристаллическую решетку можно изобразить в виде плоского схематического рисунка, несмотря на то, что межатомные связи все-таки расположены в пространстве. Такая схема показана на рисунке 5 .

Рисунок 5 . Кристаллическая решетка германия в плоском виде.

В таком кристалле все электроны крепко привязаны к атомам своими валентными связями, поэтому свободных электронов здесь, видимо, просто нет. Выходит, что перед нами на рисунке изолятор, поскольку нет в нем свободных электронов. Но, на самом деле это не так.

Собственная проводимость

Дело в том, что под воздействием температуры некоторым электронам все же удается оторваться от своих атомов, и на некоторое время освободиться от связи с ядром. Поэтому небольшое количество свободных электронов в кристалле германия существует, за счет чего есть возможность проводить электрический ток. 18 (шесть миллиардов миллиардов) электронов в секунду. На этом фоне две тысячи миллиардов свободных электронов, да еще разбросанных по огромному кристаллу, вряд ли могут обеспечить прохождение больших токов. Хотя, благодаря тепловому движению, небольшая проводимость у германия существует. Это так называемая собственная проводимость.

Электронная и дырочная проводимость

При повышении температуры электронам сообщается дополнительная энергия, их тепловые колебания становятся более энергичными, в результате чего некоторым электронам удается оторваться от своих атомов. Эти электроны становятся свободными и при отсутствии внешнего электрического поля совершают хаотические движения, перемещаются в свободном пространстве.

Атомы, потерявшие электроны, беспорядочных движений совершать не могут, а только слегка колеблются относительно своего нормального положения в кристаллической решетке. Такие атомы, потерявшие электроны, называется положительными ионами. Можно считать, что на месте электронов, вырванных из своих атомов, получаются свободные места, которые принято называть дырками.

В целом количество электронов и дырок одинаково, поэтому дырка может захватить электрон, оказавшийся поблизости. В результате атом из положительного иона вновь становится нейтральным. Процесс соединения электронов с дырками называется рекомбинацией.

С такой же частотой происходит и отрыв электронов от атомов, поэтому в среднем количество электронов и дырок для конкретного полупроводника равно, является величиной постоянной и зависимой от внешних условий, прежде всего температуры.

Если к кристаллу полупроводника приложить напряжение, то движение электронов станет упорядоченным, через кристалл потечет ток, обусловленный его электронной и дырочной проводимостью. Эта проводимость называется собственной, о ней уже было упомянуто чуть выше.

Но полупроводники в чистом виде, обладающие электронной и дырочной проводимостью, для изготовления диодов, транзисторов и прочих деталей непригодны, поскольку основой этих приборов является p-n (читается «пэ-эн») переход.

Чтобы получить такой переход, необходимы полупроводники двух видов, двух типов проводимости (p — positive — положительный, дырочный) и (n — negative — отрицательный, электронный). Такие типы полупроводников получаются путем легирования, добавления примесей в чистые кристаллы германия или кремния.

Хотя количество примесей очень мало, их присутствие в немалой степени изменяет свойства полупроводника, позволяет получить полупроводники разной проводимости. Об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Борис Аладышкин,

Проводники — вещества, проводящие электрический ток благодаря наличию в них большого количества зарядов, способных свободно перемещаться (в отличие от изоляторов). Они бывают I (первого) и II (второго) рода. Электропроводность проводников I рода не сопровождается химическими процессами, она обусловлена электронами. К проводникам I рода относятся: чистые металлы, т. е. металлы без примесей, сплавы, некоторые соли, оксиды и ряд органических веществ. На электродах , выполненных из проводников I рода, происходит процесс переноса катиона металла в раствор или из раствора на поверхность металла. К проводникам II рода относятся электролиты . В них прохождение тока связано с химическими процессами и обусловлено движением положительных и отрицательных ионов .

Электроды первого рода. В случае металлических электродов первого рода такими ионами будут катионы металла, а в случае металлоидных электродов первого рода — анионы металлоида. Серебряный электрод первого рода Ag + /Ag. Ему отвечает реакция Ag + + e — = Ag и электродный потенциал

E Ag + /Ag = Ag + / Ag+b 0 lg a Ag + .

После подстановки численных значений Е 0 и b 0 при 25 o С:

Примером металлоидных электродов первого рода может служить селеновый электрод Se 2- /Se, Se + 2e — = Se 2 ; при 25 o С E Se 2- /Se 0 = -0,92 — 0,03lg a Se 2- .

Электроды второго рода — полуэлементы, состоящие из металла, покрытого слоем труднорастворимого соединения (соли, оксида или гидроксида) и погруженного в раствор, содержащий тот же анион, что и труднорастворимое соединение электродного металла. Схематически электрод второго рода можно представить так: А Z- /MA , M , а протекающую в нем реакцию — МА + ze = М + А Z — .

Отсюда уравнением для электродного потенциала будет:

Каломельные электроды — это ртуть, покрытая пастой из каломели, и , находящаяся в контакте с раствором KCl.

Cl — / Hg 2 Cl 2 , Hg.

Электродная реакция сводится к восстановлению каломели до металлической ртути и аниона хлора:

Потенциал каломельного электрода обратим по отношению к ионам хлора и определяется их активностью:

При 25 о С потенциал каломельного электрода находят по уравнению:

Ртутно-сульфатные электроды SO 4 2 — /Hg 2 SO 4 , Hg аналогичны каломельным с той лишь разницей, что ртуть здесь покрыта слоем пасты из Hg и закисного сульфата ртути, а в качестве раствора используется H 2 SO 4 . Потенциал ртутно-сульфатного электрода при 25 o С выражается уравнением:

Хлорсеребряный электрод представляет собой систему Cl — /AgCl, Ag, а его потенциалу отвечает уравнение:

E Cl — /AgCl, Ag = E 0 Cl — /AgCl, Ag —b lg a Cl-

или при 25 о С:

E Cl — /AgCl, Ag = 0,2224 — 0,0592 lg a Cl — .

Из всего многообразия кабельных изделий каждый из типов предназначен для использования в определенных целях. Например, ПВС и ШВВП – провод и шнур с гибкими многопроволочными жилами, который часто используются для подключения нестационарного электрооборудования. Это такое оборудование, которое может перемещаться в процессе своей работы, например, дрели, болгарки, настольные лампы и прочее. В этой статье мы рассмотрим, в чем разница между проводниками и какой лучше использовать для конкретных задач.

Сравнение характеристик

Чтобы понять, чем отличается шнур ШВВП от провода ПВС, давайте сравним технические характеристики.

	ШВВП (Ш-шнур, В-оболочка ПВХ, В-внешняя ПВХ-оболочка, П-плоский)	(П-провод, В-оболочка из ПВХ, С-соединительный)
Номинальное напряжение, Вольт переменного тока 50 Гц	400	660
Диапазон сечений, кв. мм	от 0,35 до 4	от 0,75 до 16 (иногда встречаются 0,5 и 25 кв. мм)
Количество жил	2 или 3	от 2 до 5
Допустимые рабочие температуры, градусов Цельсия	от -25 до +50	от -50 до +50
Срок службы, лет	6	6

Изоляция у обоих проводников из ПВХ-пластиката, как наружная оболочка, так и оболочки каждой из жил. И шнур, и провод используются для подключения подвижного оборудования. Но их конструкция отличается тем, что у ШВВП жилы уложены параллельно друг другу, а наружная оболочка выполнена тонким слоем изоляции. Из-за этого у шнура плоская форма, что и указано в маркировке.

Жилы провода ПВС уже скручены между собой по всей длине, наружная оболочка выполняется с полным заполнением между жильного пространства, что даёт толстый защитный слой. Однако витая укладка жил увеличивает расход проводников и других материалов на каждый метр кабеля, а толстая внешняя оболочка увеличивает расход ПВХ – всё это приводит к увеличению конечной стоимости продукта.

Внимание: стоимость ПВС больше чем у ШВВП примерно на 30%.

Если внимательно изучить таблицу, можно заметить, что, диапазон сечений у рассматриваемого шнура сосредоточен в меньших величинах, чем у провода. Такое отличие говорит о том, что ШВВП предназначен для питания потребителей меньшей мощности. Разница в конструкции приводит и к тому, что плоский шнур легче поддается изгибам и занимает меньше места при укладке, но при этом более подвержен случайным повреждениям, чем толстый круглый и витой ПВС.

Область применения

Удлинители или переноски

Основная сфера применения и предназначения обсуждаемых проводников – это удлинители. При этом если удлинитель будет использоваться в тяжелых условиях (на стройке, в гараже для подключения электроинструмента), лучше выбрать . В этом случае характерны частые перегибы и случайные удары и трения, поэтому важно чтобы у проводника была качественная и толстая изоляция.

Если удлинитель будет проложен где-нибудь за мебелью или другим способом, где вероятность того что его придавят или произойдут другие повреждения минимальна, то вполне можно выбрать . Его удобнее будет проложить или провести в узких местах из-за меньших размеров. Такие удлинители используют, когда розетка расположена в неудобном месте, а также для подключения нескольких электроприборов установленных в одном месте, например, телевизора, медиа проигрывателя и акустической системы.

Поговорим о том, что лучше для удлинителя: провод ПВС или ШВВП. Если говорить обобщенно, то удлинитель из ПВС используется там, где вероятны частые удары или повреждения. Также он лучше подходит для подключения мощного электрооборудования, например, перфораторов, болгарок или даже каких-то технологических устройств типа тепловых пушек, при условии отсутствия прямого попадания потоков горячего воздуха или частей устройства на сам провод.

ШВВП используют для тех удлинителей, в которые не подключаются мощные приборы. Они лучше подходят для подключения небольшого кухонного оборудования, светильников, электробритв и бытовой электроники.

О том, мы рассказывали в статье. Ознакомьтесь с материалом, чтобы сделать надежный удлинитель для подключения бытовой техники.

Освещение и проводка

Так как скрытая и открытая проводка являются стационарными электроустановками, то под это определение уже не подходят ни провод, ни шнур. В отличие от них кабель с однопроволочными жилами типа специально предназначен на использование в проводке. Тем не менее часто возникает вопрос: «Можно ли использовать ШВВП или ПВС для проводки либо освещения?». Для основной проводки и подключения розеточных групп их применение не рекомендуется.

У ШВВП наружная оболочка достаточно тонкая, для прокладки в стене, хотя это можно исправить его прокладкой в ПВХ-гофре. В то же время у ПВС хоть и толстый слой изоляции, но есть интересное мнение о том, что это затруднит отдачу тепла окружающей среде токопроводящими жилами, что особенно важно при скрытой прокладке под штукатуркой.

При в подвесном потолке провода прокладываются за гипсокартонным листом, а если потолок натяжной – то по поверхности чернового потолка. В связи с многообразием дизайнерских решений по установке точек освещения по изогнутым контурам, удобнее будет использовать провода с гибкими жилами. В этих случаях будет удобным выбор ШВВП или ПВС. Но с точки зрения долговечности и механической прочности в этом случае ПВС подходит лучше.

Прокладка на улице допускается только в , а диапазон рабочих температур лучше подходит для этой цели у провода ПВС.

Мы рассмотрели отличия ШВВП от ПВС и советы о том, какой из них выбрать для конкретных задач. Но хотим напомнить, что соединение этих проводов нужно проводить с помощью клеммников с пружинным зажимом (типа ВАГО), пайки, сварки, гильзованием. Делать скрутки категорически запрещено, а при зажиме под винт (как в розетках) жилы провода начинают рваться, из-за чего ухудшается контакт. Со временем он будет греться или вообще отгорит.

Материалы

Зачастую люди, не имеющие никакого отношения к электронике и электротехнике, сталкиваются с необходимостью проведения различных ремонтных работ в этих областях.

В подобной ситуации информация о том, чем отличается кабель от провода, будет весьма уместной.

Казалось бы, эти понятия практически идентичны, однако неправильный выбор проводника может привести к весьма неприятным последствиям!

Провод — это изделие электротехнической промышленности, покрытое изоляционной оболочкой , состоящей из определенного количества жил. Данная конструкция повреждается при определенном механическом воздействии, поэтому в помещениях, где велик риск ее повреждения, провода для повышения прочности заключаются в стальную или медную оплетку.

Ее функция не ограничивается защитой устройства от механических повреждений: помимо этого она способствует его защите от отрицательного воздействия электромеханических наводок. Кроме этого важной составной частью этого проводника считается его изоляционное покрытие , выполненное, как правило, из резины или винила.

Сегодня магазины предлагают к покупке 2 типа электропроводов: однопроволочные и многожильные . Первые (их еще называют «со сплошной проволокой») не требуют внешнего покрытия, используются для повышения производительности высокочастотных электронных приборов.

Многожильные же, в отличие от них, более гибкие, прочные и устойчивые к внешним повреждениям, поэтому обладают более длительным сроком эксплуатации.

Собираясь монтировать в загородном доме или , провести дополнительное или добавить пару розеток, не прибегая при этом к услугам профессионалов, приходится сталкиваться с множеством вопросов.

В специальных обзорах, мы ответим на вопросы: , как и , найти , как поставить и как подключить .

Описание кабелей

по своей сути представляет собой группу изолированных друг от друга жил, объединенных в единую конструкцию . Цель данного объединения — защита проводников от механического повреждения, негативного воздействия внешней среды, а также упрощение процесса монтажа, эксплуатации.

Вся конструкция окружена дополнительным слоем изоляционного покрытия (броневым кожухом, если это необходимо). Повышенные требования безопасности, необходимость совместной прокладки и сложные условия эксплуатации — вот условия, при которых объединение проводников в единую конструкцию просто необходимо!

Сравнение

Главная характеристика всех электрического тока — их максимальное номинальное напряжение. Для проводов оно равняется 100 В, тогда как для кабелей этот показатель практически не имеет ограничений .

Провода в отличии от кабелей могут не иметь изоляционной оболочки, тогда как для последних она обязательна.

Более того, при необходимости она может быть усилена специальной броней . Именно этот фактор является ключевым для использования кабеля под землей или на глубине, помимо их повышенной прочности, а также долговечности.

Предлагаем вашему вниманию видео о сравнительных технических характеристиках проводов и кабелей:

Применение

Провода в большинстве случаев меньше сопротивляются нагреву, то есть обладают слабой термической защитой, обусловленной лишь свойствами самого изоляционного покрытия. При этом они гораздо легче других проводников, что должно учитываться при монтаже .

Установка большого количества линий передач тока максимальной мощности на небольшой площади нежелательна, поскольку при возгорании помещение может сгореть полностью!

Воздушные линии электропередач — еще одна сфера применения проводов. Их малый удельный вес позволяет протягивать изделия через опоры , стоящие на значительном расстоянии друг от друга.

Конечно, по воздуху можно проложить кабель, но для этого потребуется утяжеление опорных столбов во избежание их раскачивания и дальнейшего повреждения проводника.

Силовые проводники идеально подходят для передачи больших объемов мощности в условиях проводящей среды . Внешняя изоляционная оболочка из резины, бумаги, термоустойчивых полимеров, свинца, витой стальной ленты — все это делает риск возгорания практически невозможным.

Итак, разница между кабелем и проводом следующая. Первый состоит из нескольких проводов, объединенных одним или несколькими слоями защиты. Максимальное номинальное напряжение провода равняется 1000 В , кабель же может эксплуатироваться при любых показателях напряжения. Определенные конструкционные нюансы делают кабель более предпочтительным вариантом для прокладки в воде или в толще земли.

В заключение предлагаем посмотреть интересное и познавательное видео, чем отличается кабель от провода:

Чем отличается проводник от полупроводника?




Чем отличается проводник от полупроводника?

Известно, что в веществе, помещенном в электрическое поле, при воздействии сил данного поля образуется движение свободных электронов, либо ионов по направлению сил поля. Другими словами, в веществе происходит возникновение электрического тока.
Свойство, определяющее способность вещества проводить электрический ток имеет название «электропроводность». Электропроводность напрямую зависима от концентрации заряженных частиц: чем выше концентрация, тем она электропроводность.

По данному свойству все вещества подразделяются на 3 типа:

1. Проводники.
2. Диэлектрики.
3. Полупроводники.

Электрофорус

Если поведение диэлектриков в электрическом поле долгое время оставалось неизученным, благодаря металлам Вольта узнал больше об электричестве и позже смог изобрести знаменитый гальванический источник питания. Речь идёт об электрофорусе. Прибор, не слишком известный в России, будоражил умы западных учёных, сегодня служит непременным элементом развлечения студентов. Прибор сейчас покажет (и докажет), как ведут себя проводники в электрическом поле.

Электрофорус – статический генератор с ручным взводом, металлическая печать солидного размера, лучший способ демонстрации статического электричества. Представим, что на круглую подложку из древесины наклеен тончайший лист резины. Вольта говорил, что толстый кусок проявляет худшие свойства. Но не сумел объяснить причину. В давнее время люди не знали, что диэлектрики обладают способностью запасать энергию электрического поля во внутренней структуре. Принцип теперь используется в большинстве конденсаторов.

Тонкий кусок меньше энергии поля поглощал и больше оставлял на поверхности в виде заряда. Трением быстрее доводился до кондиции. Указанный факт отметил Вольта. Требовалось резину натереть. Вольта делал это добрым куском шерсти в течение ряда минут.

Заключительным штрихом конструкции служил тонкий металлический диск, полностью покрывавший резиновый. Толщина выбиралась меньшей, чтобы свойства проводника в электрическом поле проявились ярче. Что происходило в электрофорусе:

1. Оператор натирал резину до образования плотного статического заряда электронов.
2. Убирал шерсть и опускал сверху металлический диск.
3. Проводник электризовался влиянием. Из-за шероховатости поверхности точек соприкосновения оказывалось мало, низ диска заряжался положительно. Это вызвано оттоком электронов, вытолкнутых полем наверх (см. ниже).
4. Потом оператор кратковременно заземлял верхнюю часть диска лёгким касанием и разрывал поверхности.
5. На нижней стороне металлической «печати» оставался свободный статический положительный заряд.

Опыт повторялся десятки раз. Очевидцы заявляют о сотнях, а Вольта говорил, что «сложно избавить резину от флюида» и предлагал делать это солнечными лучами, пламенем свечи и прочими сильными средствами. Чтобы понять, как работает электрофорус, нужно иметь представление о поведении проводника в электрическом поле.

Описание проводников

Проводники обладают наивысшей электропроводностью из всех типов веществ. Все проводники подразделяются на две большие подгруппы:

• Металлы (медь, алюминий, серебро) и их сплавы.
• Электролиты (водный раствор соли, кислоты).

В веществах первой подгруппы перемещаться способны только электроны, поскольку их связь с ядрами атомов слабая, в связи с чем, они достаточно просто от них отсоединяются. Так как в металлах возникновение тока связано с передвижением свободных электронов, то тип электропроводности в них называется электронным.

Параллельное соединение проводников

Из проводников первой подгруппы используют в обмотках электромашин, линиях электропередач, проводах. Важно отметить, что на электропроводность металлов оказывает влияние его чистота и отсутствие примесей.

Движиение электрического тока

В веществах второй подгруппы при воздействии раствора происходит распадение молекулы на положительный и отрицательный ион. Ионы перемещаются вследствие воздействия электрического поля. Затем, когда ток проходит через электролит, происходит осаждение ионов на электроде, который опускается в данный электролит. Процесс, когда из электролита под воздействием электрического тока выделяется вещество, получил название электролиз. Процесс электролиза принято применять, к примеру, когда добывается цветной металл из раствора его соединения, либо при покрытии металла защитным слоем иных металлов.

Поляризация диэлектриков

Ме­ха­низ­мы по­ля­ри­за­ции Д. за­ви­сят от ха­рак­те­ра хи­мич. свя­зи, т. е. рас­пре­де­ле­ния элек­трон­ной плот­но­сти в Д. В ион­ных кри­стал­лах (напр., NaCl) по­ля­ри­за­ция яв­ля­ет­ся ре­зуль­та­том сдви­га ио­нов от­но­си­тель­но друг дру­га (ион­ная по­ля­ри­за­ция), а так­же де­фор­ма­ции элек­трон­ных обо­ло­чек отд. ио­нов (элек­трон­ная по­ля­ри­за­ция), т. е. сум­мой ион­ной и элек­трон­ной по­ля­ри­за­ций. В кри­стал­лах с ко­ва­лент­ной свя­зью (напр., ал­маз), где элек­трон­ная плот­ность рав­но­мер­но рас­пре­де­ле­на ме­ж­ду ато­ма­ми, по­ля­ри­за­ция обу­слов­ле­на гл. обр. сме­ще­ни­ем элек­тро­нов, осу­ще­ст­в­ляю­щих хи­мич. связь. В т. н. по­ляр­ных Д. (напр., твёр­дый h3S) груп­пы ато­мов пред­став­ля­ют со­бой элек­трич. ди­по­ли, ко­то­рые ори­ен­ти­ро­ва­ны хао­ти­че­ски в от­сут­ст­вии элек­трич. N_{i=1}\boldsymbol P_i$$ где $p_i$ – ди­поль­ные мо­мен­ты час­тиц (ато­мов, ио­нов, мо­ле­кул), $N$ – чис­ло час­тиц в еди­ни­це объ­ё­ма. Век­тор $\boldsymbol P$ за­ви­сит от на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля $\boldsymbol E$. В сла­бых по­лях $\boldsymbol P=ε_0ϰ\boldsymbol E$. Ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти $ϰ$ на­зы­ва­ет­ся ди­элек­трической вос­при­им­чи­во­стью. Час­то вме­сто век­то­ра $\boldsymbol P$ ис­поль­зу­ют век­тор элек­трич. ин­дук­ции $$\boldsymbol D=ε_0\boldsymbol E+\boldsymbol P=ε_0ε\boldsymbol E \text{ (в СИ)},\tag1$$где $ε$ – ди­элек­три­че­ская про­ни­цае­мость, $ε_0$ – элек­три­че­ская по­сто­ян­ная. Ве­ли­чи­ны $ϰ$ и $ε$ – осн. ха­рак­те­ри­сти­ки Д. В ани­зо­троп­ных Д. (напр., в не­ку­би­че­ских кри­стал­лах) на­прав­ле­ние $\boldsymbol P$ оп­ре­де­ля­ет­ся не толь­ко на­прав­ле­ни­ем по­ля $\boldsymbol E$, но и на­прав­ле­ни­ем осей сим­мет­рии кри­стал­ла. По­это­му век­тор $\boldsymbol P$ бу­дет со­став­лять разл. уг­лы с век­то­ром $\boldsymbol E$ в за­ви­си­мо­сти от ори­ен­та­ции $\boldsymbol E$ по от­но­шению к осям сим­мет­рии кри­стал­ла. В этом слу­чае век­тор $\boldsymbol D$ бу­дет оп­ре­де­лять­ся че­рез век­тор $\boldsymbol E$ с по­мо­щью не од­ной ве­ли­чи­ны $ε$, а не­сколь­ких (в об­щем слу­чае шес­ти), об­ра­зую­щих тен­зор ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти.

Описание диэлектриков

Диэлектрики также принято называть электроизоляционными веществами.

Все электроизоляционные вещества имеют следующую классификацию:

• В зависимости от агрегатного состояния диэлектрики могут быть жидкими, твердыми и газообразными.
• В зависимости от способы получения — естественными и синтетическими.
• В зависимости от химического состава – органическими и неорганическими.
• В зависимости от строения молекул – нейтральными и полярными.

К ним относятся газ (воздух, азот, элегаз), минеральное масло, любое резиновое и керамическое вещество. Данные вещества характеризуются способностью к поляризации в электрическом поле. Поляризация представляет собой образование на поверхности вещества зарядов с разными знаками.

В диэлектриках содержится малое количество свободных электронов, при этом электроны имеют сильную связь с ядрами атомов и только в редких случаях отсоединяются от них. Это означает, что данные вещества не обладают способностью проводить ток.

Данное свойство весьма полезно в сфере производства средств, используемых при защите от электрического тока: диэлектрические перчатки, коврики, ботинки, изоляторы на электрическое оборудование и т.п.

Пробой диэлектрика

Помните мы в данной статье уже говорили о том, что у каждого диэлектрика есть свой предел и что нельзя однозначно называть вещество диэлектриком и нужно рассматривать его в динамике. Так вот, давайте вернемся к этой теме и немного углубимся в нее. Знаете ли вы, что происходит при поляризации?

Дело в том, что при этом явлении начинается такое состояние, называемое стационарным или же квазистанционырным, если воздействие напряжения извне переменное. Такое состояние отличается от обычного тем, что значения поляризации могут очень долго держаться на одном уровне. Вместе с ними стабилизируется и электропроводность.

Если сразу же начать увеличивать напряженность в таком поле, то можно будет очень точно определить тот предел, при котором эта самая стабильность будет резко нарушаться. Сразу же увеличиться ток, электропроводность, а это уже прямой путь из диэлектрика в проводники. Действительно, после этого вещество уже нельзя охарактеризовать, как диэлектрик. Такой процесс перехода диэлектрика в проводники называется пробоем диэлектрика.

Когда мы поняли, что такое пробой, давайте теперь поймем, как можно легко определить, в какой момент пробой диэлектрика происходит

Как мы можем понять, временной порог пробоя может зависеть от температуры, агрегатного состояния вещества и многих других факторов, тут важно другое. Давайте разберем основные случаи пробоя, их всего лишь два, поэтому не пугайтесь:

• тепловые явления, при которых возрастающая электропроводность обуславливается тем, что диэлектрик очень быстро нагревается, из-за чего стационарным тепловое состояние уже быть не может
• электрические явления, которые происходят из-за увеличения количества свободных электронов и ионов. Это тоже происходит в двух случаях. Либо появление свободных зарядов обусловлено сбитием их другими движущимися зарядами, либо сбитием полем.

О полупроводниках

Полупроводник выступает в роли промежуточного вещества между проводником и диэлектриком. Самыми яркими представителями данного типа веществ являются кремний, германий, селен. Помимо этого, к данным веществам принято относить элементы четвертой группы периодической таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева.

Полупроводники: кремний, германий, селен

Полупроводники имеют дополнительную «дырочную» проводимость, в дополнение к электронной проводимости. Данный тип проводимости зависим от ряда факторов внешней среды, среди которых свет, температура, электрическое и магнитное поле.

В данных веществах имеются непрочные ковалентные связи. При воздействии одного из внешних факторов связь разрушается, после чего происходит образование свободных электронов. При этом, когда электрон отсоединяется, в составе ковалентной связи остается свободная «дырка». Свободные «дырки» притягивают соседние электроны, и так данное действие может производиться бесконечно.

Увеличить проводимость полупроводниковых веществ можно путем внесения в них различных примесей. Данный прием широко распространен в промышленной электронике: в диодах, транзисторах, тиристорах. Рассмотрим более подробно главные отличия проводников от полупроводников.

Чем отличается проводник от полупроводника?

Основным отличием проводника от полупроводника является способность к проводимости электрического тока. У проводника она на порядок выше.

Когда поднимается значение температуры, проводимость полупроводников также возрастает; проводимость проводников при повышении становится меньше.

В чистых проводниках в нормальных условиях при прохождении тока высвобождается гораздо большее количество электронов, нежели в полупроводниках. При этом, добавление примесей снижает проводимость проводников, но увеличивает проводимость полупроводников.

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

1. Обзор и основные отличия
2. Зонная теория проводимости
3. Проводники
4. Изоляторы
5. Полупроводники
6. В чем разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором
7. Заключение

Зонная теория проводимости

Электроны 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 энергии

Проводимость – 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 проводниках

Изоляторы

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.


Зоны в изоляторах

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.

Металлы.

Рис. 6

Электроны в металлах окончательно «забывают» свое атомное происхождение, их уровни образуют одну очень широкую зону. Она всегда заполнена лишь частично (число электронов меньше числа уровней) и потому может называться зоной проводимости (рис. 6). Ясно, что в металлах ток может течь и при нулевой температуре

. Более того, с помощью квантовой механики можно доказать, что в
идеальном металле
(решетка которого не имеет дефектов) при
T
= 0 ток должен течь без сопротивления [2]!

К сожалению, идеальных кристаллов не бывает, а нулевой температуры достичь невозможно. В действительности электроны теряют энергию, взаимодействуя с колеблющимися атомами решетки, так что сопротивление реального металла растет с температурой

(в отличие от сопротивления полупроводника). Но самое главное — это то, что при любой температуре электропроводность металла значительно выше электропроводности полупроводника потому, что в металле гораздо больше электронов, способных проводить электрический ток.

Проводники, изоляторы и полупроводники

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

Электроны атомов, как правило, расположены на внешних или внутренних орбитах. Те электроны, что расположены на внутренних орбитах, относительно прочно связываются с ядром атома. Валентные электроны, т.е. те, которые находятся на внешних орбитах, могут отрываться от атома и находиться в «свободном» состоянии до тех пор, пока не присоединятся к новому атому. Атом, у которого отсутствует какое-либо количество электронов называется ионом с положительным зарядом. А вот атом, к которому присоединились электроны, называется ионом с отрицательным зарядом.

Процесс формирования ионов называется — ионизацией. Количество «свободных» ионов или электронов, т.е. частиц, переносящих заряд, в единице объема вещества называют концентрацией носителей заряда. Электрический ток — это упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных частиц. Электропроводность — это способность вещества, под действием электрического поля, проводить через себя электрический ток.

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

Проводники электрического тока

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

Высокий уровень электропроводности металлов обусловлен тем, что в них много «свободных» электронов, находящихся в состоянии беспорядочного движения и заполняющие объём проводника словно газ. При таком активном движении электроны сталкиваются с ионами неподвижной кристаллической решётки, состоящей из атомов вещества. В следствии чего электроны изменяют направление движения, скорость и свою кинетическую энергию.

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

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

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

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

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

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

Полупроводники

Полупроводники — это вещества, электропроводность которых зависит от температуры, освещенности, электрических полей и примесей. К таким материалам относят: кремний, теллур, германий, селен, соединения металлов с серой и окислы металлов. Полупроводники отличаются еще и тем, что кроме электронной проводимости имеют и дырочную электропроводность. Дырочная электропроводность вызывается движением «дырок» из-за влияния электрического поля. «Дырки» — это свободные места в атомах, которые не заняты валентными электронами. Это подобно тому, что положительно заряженные частицы перемещаются так же, как и заряды, равные зарядам электронов. На сегодняшний день, использование полупроводников широко распространено в разных устройствах и приборах, например, в фоторезисторах и полупроводниковых диодах.

Электрические диэлектрики

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

Основные свойства проводников

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы состоящей из узлов кристаллической ионной решетки внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. От каждого атома металла в свободное состояние переходит 1-2 электрона. При столкновении электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника. Вследствие чего он нагревается. Электронная теория металлов дает возможность аналитически описать и объяснить основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах.

Опыты подтвердили гипотезу о электронном газе в металлах, а именно:1)При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников не наблюдается проникновение атомов одного металла в другой.2)При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.3)В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника и стрелка подключенного к ним измерительного прибора отклоняется по шкале4)Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластине, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредствам свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичность, ковкость, теплопроводность, электропроводность.К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов относятся: удельная проводимость γ или обратная ей величина — удельное сопротивление ρ, температурный коэффициент удельного сопротивления , коэффициент теплопроводности, контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо ЭДС) ε, предел прочности при растяжении и относительное удлинение перед разрывом .Удельная проводимость металлических проводников согласно классической теории металлов может быть выражена:

гдее — заряд электрона;n0 — число свободных электронов в единице объема металла;λ — средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки;m — масса электрона;υT— средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Знакомство с проводниками, полупроводниками и диэлектриками: технические характеристики

Что главное в материалах, которые используются для электричества? Главным их свойством является токопроводимость. Такие материалы делятся на три вида — проводники, полупроводники, диэлектрики.

Сегодняшняя статья посвящена именно этим материалам. Мы подробно рассмотрим что они из себя представляют, для чего используются и каким образом пропускают ток.

Свойства диэлектриков

Водонепроницаемость

Твердые диэлектрики могут мешать проникновению влаги внутрь. Благодаря этому свойству их часто используют для уличного оборудования. Причем это относится не только к воде, но и прочим жидкостям, например, напиткам, сокам, молоку и так далее.

Теплозащита

Диэлектрики отлично переносят сильные температуры. Например, не зря их использую в космосе, где полоска термометра бывает ниже -90°C. Именно поэтому диэлектрики – отличный помощник в сильные морозы и жаркие дни.

Сдерживаемость радиации

Диэлектрики не пропускают радиацию, щелочи и кислотные вещества

Это очень важно, при возникновении утечки на станциях и заводах, где есть опасные химические элементы. Изоляторы, без какого-либо преувеличения, могут спасти тысячи людей от смерти

Поляризация

Удивительное свойство, которое присутствует исключительно у диэлектриков. Благодаря ему неприводимые материалы могут притягиваться к проводимым и тем самым создавать целую цепь. Это свойство используется повсеместно, почти во всех технологиях и машинах.

Ослабление внешнего поля

Диэлектрики помогают сделать внешнее давление более слабым и тем самым безопасным. Они контролируют поле и помогают его использовать в различных целях

Очень важное свойство, позволяющее сделать работу более безопасной

Итак, начнем с проводника

Проводник — это материя, которая состоит из свободных носителей заряженных частиц. При движении этих частиц возникает тепловая энергия, поэтому ему дали название — тепловое движение.

Есть два основных параметра проводника — сопротивление, обозначается буквой R или же проводимость, обозначается буквой G. Проводимость это показатель противоположный сопротивлению — G=1/R.

То есть проводник — это материал, который ведет ток.

Что же является проводником. Металлы — лучшие проводники, особенно медь и алюминий. Также проводниками являются солевые растворы, влажный грунт, углерод. Последний нашел широкое применение в работе со скользящими связями.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) — величина обратная сопротивлению.
Говоря простыми словами — проводник проводит ток.

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

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

Перейдем к диэлектрикам

Диэлектрик — это материя, которая не подчиняется воздействию электрического поля, то есть не пропускает через себя ток, а если и пропускает, то в незначительном количестве.

Происходит это потому, что они не обладают свободно передвигающимися частицами — носителями тока, поскольку в них очень сильная атомная связь.

В жизни такими веществами выступают резина, керамические компоненты, стекло, отдельные виды смол, дистиллированная вода, карбонит, фарфор, текстолит, а так же сухое дерево и так далее.

Именно благодаря свои свойствам, вышеперечисленные материалы являются основой корпусов различных электрических приборов, выключателей, розеток, вилок и других приспособлений, которые контактируют с электричеством непосредственно.

Изоляционные элементы в сетях также изготовляются из диэлектрических материалов.

Но, не все так просто и с диэлектриками. Если пропускать через них ток выше нормы, хранить их или устанавливать в среде с высокими показателями влажности или неправильно их использовать, то можно вызвать такое явление, как «пробой изолятора» — это означает, что материал диэлектрика теряет свои токонепроводимые функции и становится проводником.

То есть, если в двух словах описать ситуацию, то основное в диэлектрике — это его электроизоляционные способности. Таким образом эти приборы помогают нам защититься от травмирующего воздействия электричества.

Свойства диэлектрика измеряются его электрической прочностью — это показатель, который равняется с напряжением пробоя диэлектрика.

Что такое диэлектрик

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

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

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

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

И наконец мы дошли до полупроводников

Полупроводники называются так, потому что у них есть свойство проводить ток, но не всегда. Для этого данному веществу необходимо создать специальные условия. Нужно подать к нему энергию в определенным количестве.

Свои свойства полупроводник имеет потому, что в его структуре очень мало частиц, являющихся свободными носителями, а может быть такое, что их там вовсе нет. Но, стоит повлиять на них определенной энергией — и они появляются и активно двигаются.

Энергия может быть не только электрической, также можно воздействовать тепловой энергией, или различными излучениями. Например, свободно движущиеся элементы появляются при влиянии излучения в УФ-Спектре.

Материалами с такими свойствами являются германий, кремний, так же это может быть смешение арсенида и гелия, мышьяк, селен и прочие.

Применение полупроводников может быть различное. Из данного материала делают микросхемы, светодиоды, транзисторы, диоды и многое другое.

Для того, чтоб более подробно объяснить работу полупроводника, применим к нему так называемую зонную теорию. Упомянутая теория объясняет существование или неимение свободных заряженных частиц в отношении конкретных энергетических уровней.

Энергетический уровень (слой) — это число простых частиц, таких как молекул, атомов, то есть электронов. Данный показатель измеряется в Электронвольтах (ЭВ).

Следует обратить внимание на то, что слои проводника составляют непрерывную диаграмму от зоны валентности и до зоны проводимости. Если эти две зоны осуществляют накладку друг на друга, то возникает зона перекрытия.

В соответствии с влиянием некоторых влияний, например электрических полей, температурного режима и прочего, число электронов может меняться.

Исходя из вышеописанных процессов электроны при минимальной энергетическом воздействии начинают движение в проводнике.

Полупроводники между двумя вышеупомянутыми зонами имеют еще зону запрещенную. Величина данной зоны показывает количество той энергии, которой будет достаточно для проведения тока.

Диэлектрики по структуре похожи на полупроводники, но их защитный шар намного больше благодаря внутренним связям материала.

Мы рассказали о главных свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков. Можно сделать вывод, что отличаются они друг от друга своей проводимостью тока. Именно из-за этого у каждого материала есть своя зона применения.

Так, проводники применяются там, где нужна стопроцентная проводимость тока.

Использование диэлектриков приходится на изготовление различной изоляции токопроводящих участков.

Ну, а полупроводники активно применяют в электронике.

Думаем, данная статья раскрыла перед вами все нюансы работы проводников, диэлектриков и полупроводников, их основные отличия и сферы применения.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий — сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии — они появятся. Энергия может быть различных форм — электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

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

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

Проектируем электрику вместе

Проводники и диэлектрики. Полупроводники

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества. Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда. Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами. Среди таких проводников лучшим примером является углерод.

Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R). Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).

G = 1/ R

То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток. Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет б о льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого. Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка). Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение. Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Поговорим о поляризации

Следующий важный термин, о котором пришло время узнать — это поляризация диэлектриков. Дело в том, что процессы смещения зарядов диэлектрика протекают с разной скоростью. Как мы уже сказали ранее, для связанных зарядов время смещения гораздо меньше, а вот другие процессы протекают очень медленно.

При смещении зарядов диэлектрика образуется еще одно поле. Оно как раз и делает главное (внешнее) поле слабее. Как раз явление образования нового поля и называется поляризацией диэлектрика. Теперь давайте углубимся в этот процесс, ведь тут очень много интересных подробностей.

Для начала давайте поймем, почему новое поле появляется именно при смещении. Тут как раз все просто, ведь теперь из беспорядочного состояния диэлектрик становится более упорядоченным — отрицательные заряды теперь расположены левее своих положительных зарядов. Как раз это и создает новое поле.

Проницаемость диэлектрика

А как же измерить, насколько внутреннее поле ослабевает внешнее? Что-ж, здесь все очень просто. Такая мера называется электрическая проницаемость или проницаемость диэлектрика (наверняка вы уже слышали такой термин). Обычно говорят, что проницаемость диэлектрика это постоянная, но на самом деле в связи с тем, что поляризация протекает довольно долго, будем говорить, что эта величина зависит от времени действия внешнего поля.

Как на проницаемость диэлектрика влияет температура?

Но только ли время влияет на электрическую проницаемость. Выясняется, что не только. Оказывается, если увеличить температура, то вместе с этим еще и увеличивается интенсивность теплового движения, а это, как вы понимаете, напрямую влияет на проницаемость диэлектрика. Почему? Все просто: переход в устойчивое состояние становится более сложным, а поэтому диэлектрическая проницаемость с увеличением температуры становится все меньше.

электричество | Определение, факты и типы

электрическая сила между двумя зарядами

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:

Томас Эдисон Рукс Эвелин Белл Кромптон Эдвард Уэстон Чарльз Фрэнсис Браш Флиминг Дженкин

Похожие темы:

биоэлектричество термоэлектричество электрический потенциал электролиз электрофорез

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

электричество , явление, связанное с неподвижными или движущимися электрическими зарядами. Электрический заряд является фундаментальным свойством материи и переносится элементарными частицами. В электричестве задействованной частицей является электрон, несущий заряд, условно обозначаемый как отрицательный. Таким образом, различные проявления электричества являются результатом накопления или движения множества электронов.

Электростатика — это изучение электромагнитных явлений, происходящих при отсутствии движущихся зарядов, т. е. после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают своего положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов. И наоборот, по набору проводников с известными потенциалами можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников. Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этим набором зарядов. Наконец, энергию можно хранить в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, запасается в нем в виде электростатической энергии электрического поля.

Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, потертых друг о друга в сухой среде

Просмотреть все видео к этой статье

Статическое электричество — это известное электрическое явление, при котором заряженные частицы переходят от одного тела к другому. Например, если два предмета потереть друг о друга, особенно если эти предметы являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают равные и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения. Объект, потерявший электроны, становится положительно заряженным, а другой — отрицательно заряженным. Сила — это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы были описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона. Электрическая сила на заряде Q ₁ при этих условиях за счет заряда Q ₂ на расстоянии r дается законом Кулона,

Жирные буквы в уравнении указывают на векторный характер силы, а единичный вектор r̂ — это вектор размера 1, который указывает от заряда Q ₂ до заряда Q ₁ . Константа пропорциональности k равна 10 ⁻⁷ c ² , где c — скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 ⁹ ньютонов-квадратный метр на кулон в квадрате (Нм ² /C ² ). На рисунке 1 показано усилие на Q ₁ из-за Q ₂ . Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. Оба Q ₁ и Q ₂ выбраны произвольно как положительные заряды, каждый с величиной 10 ⁻⁶ кулонов. Заряд Q ₁ расположен по координатам x , y , z со значениями 0.03, 0, 0 соответственно, а Q ₂ имеет координаты все.0.0, 0.0.0.0. координаты даны в метрах. Таким образом, расстояние между Q ₁ и Q ₂ составляет 0,05 метра.

Викторина «Британника»

Викторина «Оружие, энергетика и энергосистемы»

Какой английский инженер и изобретатель построил и запатентовал первую паровую машину? Кто разработал первый процесс недорогого производства стали? Проверьте свои знания. Пройди тест.

Величина силы F на заряде Q ₁ , рассчитанная по уравнению (1), составляет 3,6 ньютона; его направление показано на рис. 1. Сила, действующая на Q ₂ со стороны Q ₁ , равна − F , которая также имеет величину 3,6 ньютона; однако его направление противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее компоненты вдоль x и y осей, так как вектор силы лежит в плоскости x y . Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, а результаты показаны на рисунке 2. Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрического взаимодействия между покоящимися зарядами. Если бы заряды имели противоположные знаки, сила была бы притягивающей; притяжение будет указано в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора руб. Таким образом, электрическая сила, действующая на Q ₁ , будет иметь направление, противоположное единичному вектору r̂ , и будет указывать от Q ₁ до 6 . В декартовых координатах это привело бы к изменению знаков обеих составляющих силы x и y силы в уравнении (2).

Как можно понять эту электрическую силу на Q ₁ ? Принципиально сила обусловлена ​​наличием электрического поля в положении Q ₁ . Поле создается вторым зарядом Q ₂ и имеет величину, пропорциональную размеру Q ₂ . При взаимодействии с этим полем первый заряд, находящийся на некотором расстоянии, либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда в зависимости от знака первого заряда.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Общие сведения об электрических свойствах проводников, изоляторов и полупроводников

В некоторых твердых телах изоляторы являются очень плохими проводниками; другие являются отличными проводниками, а третий класс твердых тел, полупроводники, обладает свойствами, лежащими между этими крайними типами.


Электрическая проводимость

Электрическая проводимость — это движение электрически заряженных частиц — носителей заряда — из одного места в другое, реагируя на силы, создаваемые внешними электрическими полями. Электропроводность σ определяет электрические свойства материала — его способность проводить электрический ток. Удельное сопротивление ρ является обратной величиной проводимости.

Твердые материалы обладают замечательным диапазоном электропроводности. Поскольку ионы и электроны могут нести заряд с разной подвижностью в разных материалах, существует полный спектр проводимостей (и удельных сопротивлений) от металлов с высокой проводимостью до почти идеальных изоляторов. На рис. 1 показаны диапазоны проводимости различных материалов при 26,85°C (300 K).

Рис. 1. Диапазоны проводимости при 26,85°C (логарифмическая шкала).

При ионной проводимости носителями заряда могут быть положительные или отрицательные ионы. В электронной проводимости носителями заряда являются электроны или дырки. В этой статье подчеркивается электронная проводимость, потому что ток возникает в основном из-за потока электронов в твердых материалах.

Металлы и полуметаллы

Кристаллическая структура некоторых материалов такова, что некоторые валентные электроны не связаны ни с одним конкретным атомом. Эти электроны свободно перемещаются по кристаллу с одинаковой скоростью, который содержит много свободных носителей заряда, примерно по одному на каждый атом. Эти материалы являются электрическими проводниками.

Существует резкое различие между движением электронов, вызванным тепловым возбуждением, и движением, вызванным внешним электрическим полем. Наложение внешнего электрического поля на материал заставит электроны, движущиеся к положительному полюсу, приобретать энергию и ускоряться. Поскольку электроны движутся в этом направлении, рано или поздно они столкнутся с локальными электрическими полями вокруг атомов и будут отклоняться или отражаться.

Любое результирующее движение электронов к отрицательному полюсу потребляет энергию, поэтому скорость в этом направлении будет уменьшаться. Чистый эффект представляет собой коллективное движение электронов через кристалл к положительному полюсу. Это движение создает электрический ток.

На рис. 2 показаны электроны, свободно движущиеся внутри металлического кристалла, на рис. 3 — электроны под действием внешнего электрического поля, а на рис. 4 — суммарный поток электронов. По соглашению положительное направление тока противоположно направлению электронов.




Рис. 2. Беспорядочное движение электронов в металлическом кристалле.



Рис. 3. Движение электронов под действием электрического поля в металлическом кристалле.

Рис. 4. Электрический ток.

Давайте проанализируем, как структура электронной зоны энергии материала влияет на его способность проводить. Чтобы освободить электрон, его необходимо поднять в одно из пустых и доступных энергетических состояний выше энергетического уровня Ферми. Энергетический уровень Ферми соответствует самому высокому заполненному состоянию при температуре абсолютного нуля, равной -273,15°C (0 K).

Например, металлический натрий (Z = 11) имеет один электрон в 3s-валентной зоне. В этой полосе может разместиться два электрона на атом, но она имеет только один, поэтому полоса 3s заполнена наполовину. Под действием внешнего электрического поля высшие электроны в валентной зоне могут набирать дополнительную энергию и переходить в любое из множества соседних пустых состояний внутри зоны выше уровня Ферми.

Мы можем заключить, что твердые тела, у которых самая верхняя заполненная полоса не заполнена, являются хорошими проводниками электричества – эти твердые тела являются металлами.

Другая ситуация, в которой твердые тела являются хорошими проводниками, — это когда их энергетические зоны заполнены, и существует перекрытие между их заполненной верхней энергетической зоной и следующей пустой зоной — эти твердые тела являются полуметаллами. Например, магний (Z = 12).

Рис. 5. Энергетическая зона в проводнике

Обычно электрическое поле обеспечивает достаточно энергии для возбуждения многих электронов в проводящие состояния.

Изоляторы

Ионные или сильно ковалентно связанные материалы являются плохими проводниками, поскольку электроны не могут покидать свои атомы-хозяева. Поскольку все состояния валентной зоны заполнены, единственный способ возбудить электрон — перевести его в пустую зону проводимости. Тем не менее, может потребоваться энергия в несколько эВ, чтобы обойти энергетическую щель — это щель между самой нижней или валентной зоной и пустой верхней зоной. Используя в качестве примера ромбовидный углерод, требуется около 5 эВ энергии, чтобы переместить каждый электрон из его низкоэнергетического положения, чтобы он мог нести заряд и производить чистый электрический ток — большая энергетическая щель.

Вероятность того, что электрон получит энергию, необходимую для перемещения из стабильного положения, крайне мала. Электроны могут получать некоторую дополнительную энергию от повышения температуры, света или мощных электрических полей. Несмотря на это, вероятность наличия электронного движения остается низкой, поэтому удельное сопротивление алмаза остается высоким. Это объясняет, почему алмаз является таким хорошим изолятором.

Твердые тела с заполненной валентной зоной, отделенной от следующей пустой зоны энергетической щелью в несколько эВ, являются изоляторами. На рис. 5 показаны энергетические зоны диэлектриков с большой энергетической щелью.

Рис. 6. Энергетические зоны в изоляторах.

Полупроводники

Полупроводники – с широким применением в промышленности – имеют проводимость между проводниками и изоляторами.

Энергетические потребности для достижения электронного движения не одинаковы для всех ковалентных твердых тел. Кремний и германий имеют такую ​​же ковалентную (кристаллическую) структуру, как и алмаз. Тем не менее, они требуют меньше энергии для получения электронного движения, потому что зазор между валентной зоной и зоной проводимости намного меньше. Энергия, необходимая кремнию, составляет 1,14 эВ, а германию — 0,67 эВ. Это сниженное потребление энергии является причиной того, что эти твердые вещества имеют более высокую проводимость и более низкое удельное сопротивление, чем алмаз.

На рис. 6 показана небольшая энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости. Повышение температуры увеличит количество возбужденных электронов, способных перепрыгнуть в следующую зону.


Рис. 7. Энергетические зоны в полупроводниках.

Электроны в зоне проводимости действуют так же, как и в металлах, а пустые состояния (дырки), оставшиеся в валентной зоне, также могут способствовать проводимости электрического тока. Это явление допускает электрический ток в зоне проводимости из-за электронов и в валентной зоне из-за дырок.

Полупроводники представляют собой материалы с небольшой энергетической щелью между заполненной валентной зоной и зоной проводимости. При этом условии энергия 1 эВ или меньше может вызвать перескок электронов в зону проводимости.

Восстановление проводников, изоляторов и полупроводников

Металлы являются хорошими проводниками с удельной проводимостью порядка 10⁸ до 10² (Ом-м)ˉ¹. Другой крайностью являются изоляторы в диапазоне от 10ˉ¹º до 10ˉ²º (Ом-м)ˉ¹. Полупроводники имеют промежуточную проводимость от 10⁴ до 10ˉ⁶ (Ом-м)ˉ¹.

Структура энергетических зон определяет тип материала.

Некоторые валентные электроны могут свободно перемещаться через кристалл в электрических проводниках, что приводит к множеству свободных носителей заряда.

Структура энергетических зон для металлов имеет электронные состояния, доступные выше и рядом с заполненными состояниями той же зоны. В полуметаллах существует перекрытие между заполненной верхней энергетической зоной и следующей пустой.

Межатомная связь в изоляторах ионная или сильно ковалентная. Тогда валентные электроны прочно связаны с отдельными атомами и не могут свободно перемещаться по кристаллу. Их электронная зонная структура имеет заполненную валентную зону, отделенную от пустой зоны проводимости большой запрещенной зоной – более 2 эВ.

Свойства полупроводников лежат между проводниками и изоляторами. Их валентные электроны не прочно удерживаются в ковалентных связях. Полупроводники имеют такую ​​же электронную зонную структуру, как и диэлектрики, но ширина запрещенной зоны узкая — менее 2 эВ.

Разница между проводником, полупроводником и изолятором

23 апреля 2021 г. 8 апреля 2021 г.

Материалы можно разделить на три основные категории в зависимости от их электропроводности: проводники, полупроводники и изоляторы. Проводники – это материалы, которые легко пропускают через себя электрический ток. Полупроводниковые материалы имеют электрическую проводимость между проводниками и изоляторами. В то время как изоляторы вообще не проводят электрический ток.

Проводники, полупроводники и изоляторы можно отличить на основе ряда факторов, таких как проводимость, удельное сопротивление, зонная структура, запрещенная зона, перекрытие зон, протекание тока, поведение при 0K и примеры. Давайте посмотрим на фактическую разницу между проводником, полупроводником и изолятором .

Разница между проводником, полупроводником и изолятором в табличной форме

Проводник	Полупроводник	Изолятор
Проводники — это материалы, которые легко пропускают через себя электрический ток.	Полупроводники — это материалы, проводимость которых находится между проводниками и изоляторами.	Изоляторы являются плохими проводниками электричества или не проводят через них электрический ток.
Проводники имеют очень высокую электропроводность (10 -7 мкФ/м), поэтому они легко проводят электрический ток.	Электропроводность полупроводников находится между проводниками и изоляторами, поэтому они могут действовать как проводник и изолятор в различных условиях.	Изоляторы имеют очень низкую проводимость.
Так как проводники имеют положительное значение температурного коэффициента сопротивления, сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры.	Так как температурный коэффициент сопротивления отрицателен, то сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры.	Изоляторы имеют очень высокое сопротивление, которое еще больше уменьшается с температурой.
Проводимость в проводниках обусловлена ​​наличием свободных электронов в металлической связи.	Проводимость в полупроводниках обусловлена ​​движением дырок и электронов.	Так как в изоляторе нет ни электронов, ни дырок, то изоляторы не проводят электрический ток.
Для проводников температурный коэффициент сопротивления положительный.	Значение температурного коэффициента сопротивления для полупроводников отрицательное.	Для изоляторов температурный коэффициент сопротивления отрицательный.
Зона проводимости и валентная зона перекрываются для проводников или нет энергетической щели между зоной проводимости и валентной зоной. Поэтому они не требуют дополнительной энергии для состояния проводимости.	Зона проводимости и валентная зона разделены энергетической щелью 1,1 эВ.	Энергетическая щель между зоной проводимости и валентной зоной составляет для изоляторов от 6 до 10 эВ.
Типичными примерами проводников являются медь, алюминий, золото, серебро и т. д.	Кремний, германий, мышьяк являются примерами полупроводников.	Примеры изоляторов включают бумагу, резину, пластик и т. д.

Что такое проводники?

Это материалы, которые легко пропускают через себя электрический ток. Наиболее распространенные электрические проводники изготавливаются из металлов. В них протекает ток из-за наличия свободных электронов или ионов, которые начинают двигаться, когда к ним приложена разность потенциалов.

Проводники, такие как металлы, обладают электропроводностью при комнатной температуре, которая уменьшается с повышением температуры. Электрическое сопротивление проводников очень низкое, т. е. они очень мало препятствуют прохождению тока. Сопротивление проводника зависит от длины, площади и характера проводника.

Поскольку в проводниках зоны проводимости и валентная зона перекрываются, то всякий раз, когда к ним приложено даже небольшое электрическое поле, электроны легко перемещаются из валентной зоны в зону проводимости под влиянием электрического поля. Это движение носителей заряда генерирует через них большой электрический ток.

Что такое полупроводники?

Полупроводники — это материалы, которые обладают электропроводностью между проводниками и изоляторами. Носителями заряда, ответственными за течение электрического тока, являются электроны и дырки.

Полупроводники могут вести себя как проводники, а также как изоляторы в зависимости от состояния. Ширина запрещенной зоны полупроводников больше, чем у проводников, но меньше, чем у изоляторов, т.е. 1 эВ. Поэтому их электронам требуется небольшое количество энергии, чтобы перейти в состояние проводимости. При температуре абсолютного нуля в полупроводниках не происходит движения носителей заряда, поэтому они ведут себя как изоляторы. Но при комнатной температуре энергии достаточно, чтобы переместить несколько электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Что такое изоляторы?

Это материалы, которые не пропускают через себя электрический ток. Они не являются хорошими проводниками электрических зарядов. Ширина запрещенной зоны для изоляторов настолько велика, что даже приложенная разность потенциалов не может возбудить электроны из валентной зоны в зону проводимости.

Так как температурный коэффициент сопротивления изоляторов отрицательный, сопротивление изоляторов уменьшается с повышением температуры.

Заключение

Из приведенного выше обсуждения мы пришли к выводу, что фактором, ответственным за протекание электрического тока через материалы, является движение электронов из валентной зоны в зону проводимости. Ширина запрещенной зоны проводников очень мала, поэтому они являются хорошими проводниками и обладают высокой проводимостью, а полупроводники имеют малую ширину запрещенной зоны, поэтому их проводимость находится между проводниками и изоляторами. Ширина запрещенной зоны изоляторов очень велика, поэтому изоляторы не проводят электрический ток.

Автор
Дипак Ядав
Мусульманский университет Алигарха, Алигарх

Ссылки

1. ://www.electricaltechnology.org/2019/10/difference-between-conductor-semiconductor-insulator.html
3. https://biodifferences.com/difference-between-conductors-semiconductors-and-insulators.html

В чем разница между проводником, изолятором и полупроводником?

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

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

Содержание: проводник, изолятор и полупроводник

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

Сравнительная таблица

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




Определение проводника

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

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

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

Определение изолятора

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

Примерами изоляторов являются дерево, резина, пластик.

Определение полупроводника

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

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

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

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


Ключевые различия между проводником, изолятором и полупроводником

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

Заключение

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

РЕШЕНИЕ: Полупроводники и диэлектрики — Studypool

Инструкции: Пожалуйста, ответьте на каждый из приведенных выше вопросов в формате эссе. Ваш ответ должен состоять не менее чем из двух страниц, напечатанных обычным шрифтом, без ограничений по количеству слов. Пожалуйста, укажите не менее десяти различных точек для каждого ответа. Пожалуйста, предоставьте достаточно длинные и полные ответы, чтобы я мог адекватно оценить ваше понимание вопросов и темы. Вы должны ответить своими словами. Тест открытая книга. За полные, продуманные и подробные ответы вам будет предоставлена ​​более высокая оценка. Ответы, которые являются короткими и только в форме списка, без обсуждения не получат высокой оценки. Экзамен 2: Международные рынки предоставляют огромные возможности для расширения бизнеса по целому ряду причин путем слияний и поглощений. Каковы основные причины, по которым существующая компания ищет глобальные рынки для расширения посредством слияний или поглощений, а не стремится расширяться на международном уровне напрямую за счет зарубежных экспортных продаж? Что делает одну страну более или менее привлекательной по сравнению с другой для расширения посредством слияний и поглощений, Если некоторые страны лучше подходят для таких целей, почему? Рубрика экзамена MG 632 Рубрика экзамена MG 632 Критерии Рейтинги Баллы Этот критерий связан с Критический анализ результатов обучения (Понимание прочитанного, видео и внешних ссылок) платы были заполнены и поняты. Экзаменационные ответы полные, длинные и демонстрируют абсолютное знание содержания курса. Поддерживающие утверждения с концепциями из материалов для чтения, видео, форумов, внешних ресурсов, соответствующих исследований или конкретных приложений из реальной жизни с цитатами очевидны в каждом ответе и хорошо логически применимы к каждому ответу. видео или форумы были завершены или поняты. Ответы на экзамене краткие, но показывают некоторое знание содержания курса. Поддерживающие утверждения с концепциями из материалов для чтения, видео, форумов, внешних ресурсов, релевантных исследований или конкретных приложений из реальной жизни или цитат — несколько. 0,0 балла Неудовлетворительно Ответы на экзамен показывают мало или совсем не свидетельствуют о том, что тексты, видео или форумы для обсуждений были пройдены или поняты . Экзаменационные ответы кратки или не составлены вовсе. Поддерживающие утверждения с концепциями из материалов для чтения, видео, дискуссионных форумов, внешних ресурсов, соответствующих исследований или конкретных приложений из реальной жизни или цитат отсутствуют. 32,0 балла Этот критерий связан с результатом обучения. Ответ на заданный вопрос32,0 балла поставленные вопросы. Имеются полные доказательства того, что правильный ответ известен, поскольку он четко сформулирован. 16,0 ptsLimitedAnswers частично отвечают на поставленные вопросы. Есть некоторые свидетельства того, что правильный ответ известен или на вопрос дан частичный ответ. 0,0 балла Неудовлетворительные ответы не отвечают на поставленные вопросы. Нет никаких доказательств того, что правильный ответ известен или на вопрос вообще не дан ответ. , и прямо ответить на заданный вопрос. Ответы представлены не в виде маркированного списка, а в виде абзацев, в которых рассматриваются и обосновываются высказанные точки зрения, при необходимости указываются альтернативные аргументы, а вопросы обсуждаются с четкими аргументами. полная оценка, но частично понятны, если на вопрос был дан ответ, и была предпринята некоторая попытка прямого ответа на заданный вопрос. Ответ может быть представлен в виде маркированного списка и не полностью подтвержден или обоснован. связаны с результатом обучения. Сущность и обоснование ответов. 32,0 балла. Приведены аргументы для предоставленных ответов и обоснование любого сделанного ответа. Присутствует полное обоснование ответа из источника или предоставленной аргументации. 16,0 балла Ограничено На вопросы отвечают частично по существу. Для предоставленных ответов приводится некоторая аргументация или основа для любого сделанного ответа. Имеется некоторое обоснование ответа из источника или приведена аргументация. 0,0 балла Неудовлетворительно На вопросы не даны содержательные ответы. Нет никаких оснований для предоставленных ответов или оснований для любого сделанного ответа. Нет никакого обоснования ответа из какого-либо источника или рассуждения. 32,0 балла Этот критерий связан с результатом обучения. Качество написания и проверки 32,0 балла Образцовый Письменные ответы не содержат грамматических, орфографических или пунктуационных ошибок. Стиль письма способствует полностью эффективному общению и всегда состоит из полных предложений. 16,0 ptsLimited Письменные ответы содержат некоторые грамматические, орфографические или пунктуационные ошибки. Стиль письма не всегда способствует эффективному общению и не всегда состоит из полных предложений. 0,0 балла Неудовлетворительно Письменные ответы содержат многочисленные грамматические, орфографические или пунктуационные ошибки. Стиль письма не способствует эффективному общению. 32,0 баллаСумма баллов: 160,0

6.2: Полупроводники и диаграммы уровней энергии

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Идентификатор страницы

  18973

• Андреа М. Митофски
• Trine University

Определения полупроводников

Некоторые полупроводники состоят из атомов одного типа, таких как чистый Si или чистый Ge. Другие содержат комбинацию элементов в столбце 13 и столбце 15 периодической таблицы. Полупроводники этого типа включают AlAs, AlSb, GaAs и InP. Другие полупроводники содержат комбинацию элементов в столбцах 12 и 16 периодической таблицы. Примеры этого типа включают ZnTe, CdSe и ZnS [9]. В состав большинства полупроводников входят элементы, расположенные где-то рядом с кремнием в периодической таблице, но возможны и более сложные составы и структуры. Материалы, состоящие из трех различных элементов таблицы Менделеева, называются тройными соединениями, а материалы, состоящие из четырех элементов, называются четвертичными соединениями.

Чтобы понять работу таких устройств, как солнечные элементы, фотодетекторы и светодиоды, нам нужно изучить поток зарядов в полупроводниках. Электрические свойства в полупроводниках определяются потоком как валентных электронов, так и дырок. Валентные электроны, в отличие от электронов внутренней оболочки, легче всего отрываются от атома. Дырка — это отсутствие электрона. Валентные электроны и дырки известны как носители заряда, потому что они заряжены и перемещаются через полупроводник при приложении внешнего напряжения. При конечной температуре электроны постоянно находятся в движении, и некоторые электронно-дырочные пары могут образовывать экситон. Эти электронно-дырочные пары естественным образом объединяются, что также называется распадом, за короткое время. Однако в любое время некоторые носители заряда присутствуют в полупроводниках при температурах выше абсолютного нуля из-за движения зарядов.

Кристаллические полупроводники могут быть классифицированы как собственные или внешние [9, с. 65]. Кристалл собственного полупроводника представляет собой кристалл без дефектов решетки или примесей. При абсолютном нуле \(T = 0\) K собственный полупроводник не имеет свободных электронов или дырок. Все валентные электроны участвуют в химических связях, дырок нет. При конечной температуре некоторые носители заряда присутствуют из-за движения электронов при конечной температуре. 3}\). Концентрация собственных носителей заряда есть плотность электронов в чистом полупроводнике и зависит от температуры \(Т\). При более высоких температурах будет присутствовать больше носителей заряда, даже если в кристаллическом полупроводнике нет примесей или дефектов из-за большего движения зарядов. Если мы приложим напряжение к собственному полупроводнику при \(T = 0\) K, заряды не потекут. Когда равновесная концентрация электронов \(n\) или дырок \(p\) отличается от концентрации собственных носителей заряда \(n_i\), мы говорим, что полупроводник внешний . Если присутствуют примеси или кристаллические дефекты, материал будет посторонним. Если к внешнему полупроводнику приложено напряжение при \(T = 0\) К, заряды потекут. Если к внешнему или собственному полупроводнику приложено напряжение при температурах выше абсолютного нуля, носители заряда будут присутствовать и будут течь.

Процесс введения большего количества электронов или дырок в полупроводник называется легированием . Полупроводник с избытком электронов по сравнению с собственным полупроводником называется n-типом. Полупроводник с избытком дырок называется р-типом. Кремний обычно имеет четыре валентных электрона, которые участвуют в образовании связи. У фосфора пять валентных электронов, у алюминия — три. Когда атом фосфора замещает атом кремния в кристалле кремния, его называют донором, потому что он отдает электрон. Когда атом алюминия замещает атом кремния, он называется акцептором. Элементы столбца 15 являются донорами кремния, а элементы столбца 13 являются акцепторами. Если кремний является примесью в AlP, он может действовать как донор или акцептор. Если он замещает атом алюминия, то действует как донор. Если он заменяет атом фосфора, он действует как акцептор.

Как мы можем легировать кусок кремния? Точнее, как мы можем легировать полупроводник бором? Бор продается в некоторых хозяйственных магазинах. Иногда его используют в качестве ингредиента мыла. Начните с кремниевой пластины и удалите любой оксид, образовавшийся на поверхности. {\circ}C\). Некоторое количество бора диффундирует и замещает атомы кремния. Удалите излишки бора. Та же процедура может быть использована для легирования другими донорами или акцепторами. Что самое опасное в этом процессе? Вытравливание оксида кремния из-за использования плавиковой кислоты HF, опасной кислоты [69].].

Иногда можно вырастить один слой полупроводникового материала поверх слоя материала другого типа. Стек различных полупроводников друг над другом называется гетероструктурой. Не все материалы можно превратить в гетероструктуры. GaAs и AlAs имеют почти одинаковые расстояния между атомами, поэтому можно формировать гетероструктуры из этих материалов. Расстояние между атомами, также называемое постоянной решетки, в AlAs составляет 0,546 нм, а расстояние между атомами в GaAs — 0,545 нм [9].]. Если расстояние между атомами в двух материалах слишком разное, механическое напряжение в полученном материале разорвет его на части. Даже умеренное механическое напряжение может негативно сказаться на оптических свойствах устройства, поскольку на границе раздела материалов могут появиться дефекты. Эти дефекты могут вводить дополнительные уровни энергии, которые могут захватывать носители заряда.

Уровни энергии в изолированных атомах и полупроводниках

В солнечном элементе свет, падающий на полупроводник, вызывает движение электронов, что позволяет устройству преобразовывать свет в электричество. Сколько энергии нужно, чтобы заставить двигаться электрон в полупроводнике? Чтобы ответить на этот вопрос, мы рассмотрим энергетические уровни: 93\), поэтому у него 5 валентных электронов. Идеи в этом разделе применимы к материалам независимо от того, являются ли они кристаллическими, аморфными или поликристаллическими.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Диаграмма уровней энергии изолированного атома алюминия при \(T = 0\) K, построенная с использованием данных из [70]. Рисунок \(\PageIndex{2}\): Уровень энергии диаграмма изолированных атомов алюминия и фосфора при \(T = 0\) K, построенная по данным [70].

Энергетические уровни электронов изолированных атомов Al и изолированных атомов P при \(T = 0\) K

Чтобы понять взаимодействие света и полупроводника, начните с рассмотрения изолированных атомов Al и изолированного атома P при абсолютном нуле, \(T = 0\) K. Сколько энергии требуется, чтобы оторвать электроны Ал? Для отрыва валентного электрона требуется значительно меньше энергии, чем для отрыва электрона от внутренней оболочки. На самом деле, когда мы говорим, что электрон является валентным электроном или электрон находится в валентной оболочке, мы имеем в виду, что электрон находится в той оболочке, для отрыва которой требуется наименьшая энергия. Мы не имеем в виду, что электрон находится дальше от ядра, хотя часто это так. Когда мы говорим, что электрон находится во внутренней оболочке, мы имеем в виду, что электрон находится в оболочке, для отрыва которой требуется больше энергии. В этом тексте основное внимание уделяется устройствам преобразования энергии, которые работают при умеренных энергиях, поэтому все обсуждаемые устройства включают взаимодействие только валентных электронов. Электроны внутренней оболочки не будут задействованы. Также возможно возбудить, но не оторвать электрон. Когда электрон возбуждается, изменяется его внутренний импульс и меняются его квантовые числа. Термины валентный электрон и квантовое число были определены в гл. 1.5.2. Для возбуждения требуется меньше энергии, чем для отрыва электрона. Энергия, необходимая для возбуждения или отрыва электронов, может обеспечиваться тепловой энергией, внешним напряжением, внешним оптическим полем или другими внешними источниками.

Рисунок \(\PageIndex{1}\) представляет собой график энергии, необходимой для возбуждения или удаления электронов из изолированного нейтрального атома Al при \(T = 0\) K. Рисунок построен с использованием данных из [70] . Хотя уровни энергии рисуются с использованием реальных данных, толщина линий не соответствует масштабу. Энергия находится на вертикальной оси. Допустимые уровни энергии показаны горизонтальными линиями. Каждый электрон может иметь только энергию, соответствующую одному из этих дискретных возможных уровней энергии. При \(Т = 0\) К электроны занимают самые нижние энергетические уровни. Каждую линию может занимать один электрон, поэтому нижние 13 энергетических уровней заняты электронами. Хотя это и не показано из-за разрешения рисунка, плотность разрешенных уровней энергии увеличивается по мере приближения энергии к нулю в верхней части рисунка. Поскольку мы рассматриваем случай абсолютного нуля температуры, эти верхние энергетические уровни не заняты электронами.

В левой части рисунка \(\PageIndex{2}\) показаны разрешенные энергетические уровни электронов в изолированном атоме Al при \(T = 0\) K. Энергетические уровни также помечены. В правой части рисунка показаны разрешенные энергетические уровни электронов в изолированном атоме Р также при \(Т = 0\) К. Данные по энергетическим уровням фосфора также взяты из [70]. Как и в случае с атомом Al , электроны атома P могут занимать только определенные определенные дискретные энергетические уровни. Поскольку атомы находятся при абсолютном нуле, электроны занимают самые низкие из возможных уровней энергии. Рисунок \(\PageIndex{3}\) содержит ту же информацию, но увеличен по вертикали, чтобы более четко показать уровни валентных электронов.

Атом P имеет на два электрона больше, чем атом Al. Атомы фосфора имеют больше протонов, поэтому электроны немного более тесно связаны с ядром. По этой причине требуется немного больше энергии, чтобы оторвать электроны, а допустимые уровни энергии немного отличаются от алюминиевых.

Количество энергии, необходимое для отрыва \(3p\)-электрона от атома, равно вертикальному расстоянию от уровня \(3p\) до линии земли в верхней части рисунка. Количество энергии, необходимое для отрыва \(2p\)-электрона, равно вертикальному расстоянию от уровня \(2p\) до линии земли. Как и ожидалось, эти цифры показывают, что для отрыва электрона внутренней оболочки \(2p\) требуется больше энергии, чем электрона валентной оболочки \(3p\). Если подается достаточно энергии, электрон будет отрываться, и электрон будет свободно течь через материал. Если поступает некоторая энергия, но ее недостаточно, чтобы оторвать электрон, электрон может перейти в возбужденное состояние на более высокий энергетический уровень. Энергия, необходимая для возбуждения электрона, определяется расстоянием по вертикали на рисунке от занятого до незанятого энергетического уровня. В любом случае мы говорим, что образуется электронно-дырочная пара. Если количество подаваемой энергии слишком мало, чтобы возбудить электрон из заполненного состояния в незаполненное, внешняя энергия не будет поглощена.

Энергетические уровни электронов изолированных атомов Al и изолированных атомов P при \(T > 0\) K

Как изменяются энергетические уровни, когда атомы Al и P находятся при температуре выше абсолютного нуля, когда электроны постоянно вибрирует и движется? Во-первых, энергетические уровни расширяются. Электроны по-прежнему могут занимать только определенные энергетические уровни, но существует более широкий диапазон допустимых энергетических уровней. Во-вторых, иногда электроны самопроизвольно переходят в более высокие состояния. Например, \(3p\) электрон может временно перейти в состояние \(4s\). Если это произойдет, он быстро вернется в основное состояние.

Энергетические уровни AlP при \(T = 0\) K

Сколько энергии требуется, чтобы оторвать электрон от кристалла AlP при \(T = 0\) K? Три валентных электрона каждого атома Al и пять валентных электронов каждого атома P образуют химические связи. Энергия, необходимая для отрыва этих электронов, немного отличается от энергии, необходимой для отрыва эквивалентных электронов от изолированных атомов Al и изолированных атомов P. На рисунке \(\PageIndex{4}\) показаны энергетические уровни валентных электронов AlP. В отличие от предыдущих рисунков, эти уровни энергии не основаны на реальных данных. Вместо этого они задуманы как грубая иллюстрация эффекта. Количество энергии, необходимое для отрыва электрона, представлено на диаграмме энергетических уровней расстоянием по вертикали от этого уровня до уровня земли в верхней части диаграммы. Энергии, необходимые для удаления электронов внутренней оболочки, существенно не отличаются от энергетических уровней изолированных атомов.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): увеличенная версия диаграммы энергетических уровней изолированных атомов алюминия и фосфора при \(T = 0\) K , построенная с использованием данных из [70]. Рисунок \(\PageIndex {4}\: Диаграмма энергетических уровней при \(T = 0\) K изолированного атома алюминия, кристалла AlP и изолированного атома фосфора. Уровни энергии для изолированных атомов взяты из [70]. Уровни энергии для AlP являются грубой иллюстрацией, а не фактическими данными. Рисунок \(\PageIndex{5}\): Диаграмма уровней энергии полупроводника увеличена, чтобы показать только зону проводимости и валентную зону.

Энергетические уровни, обусловленные электронами, общими для атомов в твердом полупроводнике, называются энергетическими зонами. Заполненный энергетический уровень, ближайший к вершине диаграммы энергетических уровней полупроводника, называется валентной зоной. Энергетический уровень над ним называется зоной проводимости. Энергетическая щель \(E_g\), также называемая шириной запрещенной зоны, представляет собой разницу энергий от верхней части валентной зоны до нижней части зоны проводимости. Термин «валентный электрон» относится к электрону внешней оболочки, а термин «валентная зона» относится к возможному энергетическому уровню, который он может занимать. При \(T = 0\) K валентная зона обычно заполнена, а зона проводимости может быть пустой или частично пустой. Нас часто интересуют только валентная зона и зона проводимости, потому что нас интересуют процессы преобразования энергии, включающие небольшое количество энергии. По этой причине мы часто строим диаграммы уровней энергии в вертикальном масштабе, чтобы показать только эти два уровня энергии, как показано на рис. \(\PageIndex{5}\).

Если в кристалле AlP есть дефекты или примеси, энергетические уровни немного расширяются, потому что электрический потенциал (в вольтах), видимый каждым атомом Al и каждым атомом P, немного отличается от потенциала, видимого другими атомами Al и P в кристалле. Таким образом, для отрыва каждого электрона требуется немного разное количество энергии. По этой причине энергетические уровни в аморфных материалах несколько шире энергетических уровней в кристаллах того же состава [10]. Если кристалл AlP имеет дефекты или примеси, могут присутствовать дополнительные разрешенные энергетические уровни. Некоторые из этих энергетических уровней могут даже попадать в энергетическую щель.

Энергетические уровни AlP при \(T > 0\) K

Как и в случае с изолированными атомами, существуют два различия между энергетическими уровнями кристаллов, таких как AlP, при \(T > 0\) K по сравнению с уровнями при \(T = 0\) K. Во-первых, уширяются энергетические уровни. Во-вторых, некоторые электроны возбуждаются до более высоких энергетических уровней и быстро, возможно, за несколько микросекунд, снова распадаются.

Определения проводников, диэлектриков и полупроводников

Определения проводников, диэлектриков и полупроводников даны в разделе 1.5.1. Теперь, когда мы увидели примеры диаграмм энергетических уровней, мы должны вернуться к этим определениям, а также дать определение термину полуметалл. При наличии приложенного внешнего напряжения, электрического поля, оптического поля или другого источника энергии валентные электроны легко перетекают в проводник [10, с. 429] [11, гл. 4]. В проводнике зона проводимости частично заполнена электронами, поэтому существует много доступных энергетических состояний для электронов, остающихся в зоне проводимости. С небольшим количеством внешней энергии, возможно, даже от колебаний, которые естественным образом возникают при \(T > 0\) K, валентные электроны легко перетекают. Электроны внутренней оболочки могут отрываться от своих атомов и течь, но для отрыва внутренней оболочки требуется значительно больше энергии, чем для валентных электронов.

При наличии приложенного внешнего напряжения, электрического поля, оптического поля или другого источника энергии электроны не могут легко течь в изоляторе [10, с. 429] [11, гл. 4]. Валентная зона заполнена, а зона проводимости пуста. Энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости в изоляторе обычно превышает 3 эВ. Небольшого количества тепла или энергии от колебаний недостаточно, чтобы перевести электрон из одного разрешенного энергетического состояния в другое. Однако, если применяется достаточно большой внешний источник энергии, электрон может быть возбужден или оторван от изолятора.

В разд. 3.3 обсуждались электрооптические материалы. Некоторые изоляторы являются электрооптическими, что означает, что в присутствии внешнего электрического или оптического поля пространственное распределение электронов незначительно меняется, что вызывает усиление поляризации материала. Фотонам внешнего электрического или оптического поля в этом случае не хватает энергии для возбуждения электронов в изоляторе, поэтому внутренний импульс электронов в материале не меняется. Электрооптический эффект возникает в изоляторах и включает внешние энергии, слишком малые для того, чтобы возбудить электроны из одного разрешенного энергетического состояния в другое, в то время как эффекты, обсуждавшиеся в разд. 6.2 включают полупроводники и внешние энергии, достаточно большие, чтобы возбудить электроны с одного энергетического уровня на другой.

При \(T = 0\) K в полупроводнике валентная зона заполнена, а зона проводимости пуста. Энергетическая щель полупроводника мала, в пределах \(0,5 эВ \lesssim E_g \lesssim 3 эВ\). При наличии небольшого приложенного напряжения, электрического поля или оптического поля полупроводник действует как изолятор. При наличии большого приложенного напряжения или другого источника энергии полупроводник действует как проводник, и по нему текут электроны. Фотодиоды и солнечные элементы сделаны из полупроводников. Если на фотодиод подается достаточно энергии, например, от оптического луча, валентные электроны будут течь. В частности, фотоны внешнего оптического луча должны иметь больше энергии, чем энергетическая щель полупроводника, чтобы могли течь валентные электроны. 93}\), а \(n\) больше для проводников [26, с. 304].

Почему солнечные батареи и фотодетекторы сделаны из полупроводников?

Диаграммы уровней энергии для AlP были проиллюстрированы выше. Энергетическая щель AlP равна \(E_g = 2,45 эВ\), поэтому он является полупроводником [9] [10, с. 432,543]. Если на кусок AlP направить луч света с фотонами с энергией \(E < 2,45 эВ\), то фотоны не будут поглощены, и никакие электроны не возбудится. Если луч света с фотонами с энергией \(E \geq 2,45 эВ\) направить на кусок AlP, некоторые из этих фотонов могут быть поглощены. Когда фотон поглощается, электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Синий фотон с энергией \(E = 3,1 эВ\) будет поглощаться, например, AlP, а красный фотон с энергией \(E = 1,9эВ\) не будет. Когда электрон возбуждается, внутренний импульс электрона обязательно изменяется. Возбужденный электрон быстро спонтанно переходит обратно в свое самое низкое энергетическое состояние, и в процессе он может излучать фотон или фонон. Если на кусок AlP направить луч света с фотонами значительно большей энергии, то можно полностью оторвать электроны от их атома.

Почему солнечные элементы и оптические фотодетекторы сделаны из полупроводников, а не из изоляторов? Солнечный свет состоит из света с несколькими длинами волн, и он наиболее интенсивен на длинах волн, соответствующих желтому и зеленому свету. Зеленые фотоны имеют энергию около \(E \примерно 2,2 эВ\), а видимые фотоны имеют энергию в диапазоне \(1,9эВ < Е < 3,1 эВ\). Солнечные элементы сделаны из материалов с энергетической щелью меньше, чем энергия большинства фотонов солнечного света. Полупроводники используются потому, что энергия каждого фотона достаточно велика, чтобы возбудить электроны в материале. Изоляторы не используются, потому что большинству фотонов видимого света не хватает энергии для возбуждения электронов в материале. Материал не должен иметь слишком большую энергетическую щель, иначе фотоны не будут поглощаться.

Таблица \(\PageIndex{1}\): Энергетическая щель различных полупроводников.

Почему солнечные элементы и оптические фотодетекторы сделаны из полупроводников, а не из проводников? Когда свет падает на солнечный элемент или фотодетектор, фотоны света поглощаются материалом. Если поглощенный фотон имеет энергию, превышающую энергетическую щель материала, электрон быстро распадается до вершины зоны проводимости. Еще через некоторое время он распадается обратно в самое низкое энергетическое состояние. В солнечном элементе или фотодетекторе p-n-переход используется, чтобы заставить электроны течь перед распадом обратно в основное состояние. Количество энергии, преобразованной в электричество на один возбужденный электрон, зависит от энергетической щели материала, а не от энергии входящего фотона. Только энергия \(E_g\) на поглощенный фотон преобразуется в электричество независимо от исходной энергии фотона. Таким образом, энергетическая щель материала, используемого для изготовления солнечного элемента или фотодетектора, должна быть большой, чтобы как можно больше энергии на возбужденный электрон преобразовывалось в электричество. Материал не должен иметь слишком малую энергетическую щель, иначе очень небольшая часть энергии будет преобразована в электричество. Электрон и дырка быстро высвобождают избыточную энергию \(hf — E_g\) в виде тепла или колебаний решетки, называемых фононами.

Каждый полупроводник имеет разную энергетическую щель \(E_g\). Многие солнечные элементы и фотодетекторы сделаны из кремния, который является полупроводником с \(E_g = 1,1 эВ\). Предсказать энергетическую щель материала довольно сложно. {10}\) метрам. Вертикальная ось представляет собой энергетическую щель в эВ. На этом рисунке показаны энергетические зазоры и постоянные решетки для материалов широкого диапазона составов. Например, энергетическая запрещенная зона для фосфида алюминия может быть найдена по точке, обозначенной AlP, а энергетическая запрещенная зона арсенида алюминия может быть найдена по точке, обозначенной AlAs. Энергетическая щель для полупроводников состава \(\text{AlAs}_xP_{1−x}\) может быть найдена по линии между этими точками.

Рисунок \(\PageIndex{6}\): Зависимость энергетической щели от межатомного расстояния для нескольких полупроводников. Используется с разрешения [71].

Некоторые солнечные элементы сделаны из слоистого материала с самой большой энергетической щелью наверху. Например, солнечный элемент можно сделать из верхнего слоя ZnS, среднего слоя ZnSe и нижнего слоя ZnTe. Фотоны с энергией \(E > 3,6 эВ\) будут поглощаться в слое ZnS. Фотоны с энергией \(2,7 эВ < E < 3,6 эВ\) будут поглощаться слоем ZnSe, а фотоны с энергией \(2,25 эВ < E < 2,7 эВ\) будут поглощаться слоем ZnTe. Каждый фотон энергии, поглощенный слоем ZnS и преобразованный в электричество, будет иметь больше энергии, чем каждый фотон, поглощенный слоем ZnSe. Таким образом, солнечные элементы, состоящие из слоев, могут более эффективно преобразовывать энергию оптического излучения в электрическую, чем эквивалентные солнечные элементы, изготовленные из одного материала.

На фотографии на рис. \(\PageIndex{7}\) показан встречающийся в природе сульфид цинка, также называемый сфалеритом, собранный возле магазина Sheffler’s Rock недалеко от Александрии, штат Миссури. Темный минерал, вкрапленный в середину скалы, — сфалерит.

Рисунок \(\PageIndex{7}\): темный минерал, заключенный в скале, представляет собой встречающийся в природе сульфид цинка.

Распределение электронов по энергии

Энергетический уровень Ферми полупроводника, обозначаемый \(E_f\), представляет собой уровень энергии, при котором вероятность обнаружения электрона равна половине [9].] [10, с. 432,543]. Уровень Ферми зависит от температуры и от примесей в полупроводнике. Химики иногда называют уровень Ферми химическим потенциалом , \(\mu_{chem}\).

В чистом полупроводнике при \(T = 0 \) К все электроны занимают низшие возможные состояния. Валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости полностью пуста. Уровень Ферми, \(E_f\), является энергетическим уровнем в середине энергетической щели. Никакие электроны не найдены с энергией \(E_f\), потому что никакие электроны не могут иметь энергию внутри энергетической щели. Однако уровень Ферми является полезной мерой для описания материала. 9{(E-E_f)/k_BT}}. \label{6.2.2} \]

Уравнение \ref{6.2.2} называется распределением Ферми Дирака и, как и любая вероятность, находится в диапазоне \(0 \leq F \leq 1\). Для энергетических уровней намного выше зоны проводимости (\(E — E_f\)) велико и положительно, поэтому маловероятно, что электроны будут обнаружены, \(F \приблизительно 0\). Для энергетических уровней намного ниже валентной зоны (\(E — E_f\)) велико и отрицательно, поэтому вполне вероятно, что будут обнаружены электроны, \(F \приблизительно 1\).

Концентрация и тип примесей влияют на энергию уровня Ферми. Материал p-типа имеет недостаток электронов. По этой причине в материале p-типа \(E_f\) находится ближе к валентной зоне, чем к середине запрещенной зоны. Материал n-типа имеет избыток электронов. По этой причине в материале n-типа \(E_f\) ближе к зоне проводимости.

---

Эта страница под названием 6.2: Полупроводники и диаграммы уровней энергии распространяется под лицензией CC BY-NC 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Андреа М. Митофски посредством исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами Платформа LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх
• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или страница

   Автор

   Андреа М.