Изучаем проводники, полупроводники и диэлектрики
Содержание
Исследования учёных позволили собрать многочисленные экспериментальные данные о способности материалов пропускать электрический ток. На основании полученных знаний все вещества удалось классифицировать на три большие группы: проводники, полупроводники и блокирующие ток диэлектрики. Проводники — это материалы, обладающие небольшим сопротивлением, например, металлы. Они пропускают ток с незначительными потерями. К диэлектрикам относятся вещества, практически не пропускающие электрический ток. Поэтому диэлектрик (изолятор) и проводник — это материалы-антагонисты.
Полупроводники занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками по исходным значениям удельного сопротивления, но уникальные физические свойства этих веществ, позволяющие им изменять свои электропроводные параметры при воздействии внешних факторов (температуры, света, давления, влажности, магнитного поля) позволили выделить их в отдельный класс. Можно сказать, что проводники, диэлектрики и полупроводники являются «тремя китами», на которых базируется вся современная электротехника, радио- и микроэлектроника.
Экскурс в историю
Английский учёный Стивен Грей, работавший в Кембридже, изучал явления, связанные с электризацией различных тел и передачей электричества. Понятия о заряженных частицах тогда ещё не было, но это не помешало С. Грею первым установить чёткое деление физических тел на проводники и непроводники. Последние через некоторое время стали называть изоляторами.
Выдающийся британский исследователь электрических явлений Майкл Фарадей (1791–1867) почти через 100 лет назвал группу веществ, блокирующих или плохо пропускающих электрический ток, диэлектриками.
В процессе своих исследований электрических явлений Майкл Фарадей в 1833 г. обнаружил и подробно описал температурную зависимость электропроводности сульфида серебра (Ag2S), которая начинала расти при повышении температуры, хотя к тому времени у большинства исследованных металлов она падала. Изначально научное сообщество полагало, что Ag2S, имевший значительную составляющую серебра, должен был быть металлом. До 1838 г. М. Фарадей обнаружил еще пять материалов с похожими свойствами (HgS — сульфид ртути, PbF2 — фторид свинца и ряд других). Через некоторое время стало понятно, что этот класс веществ занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Но собственно сам термин полупроводник (англ. — semiconductor) был обоснован и введён в научный оборот немецким электрохимиком И. Г. Кёнигсбергером в 1914 г.
Удельное сопротивление и электропроводимость
Для сравнения количественных характеристик электропроводящих свойств физиками были введены две величины:
- Удельное электрическое сопротивление (УЭС) — ρ.
- Удельная электрическая проводимость (УЭП) — σ.
УЭС — это фундаментальная физическая характеристика вещества, которая показывает степень его сопротивляемости электрическому току. Многочисленные эксперименты показали, что для образцов, имевших геометрическую форму провода, общее сопротивление R было прямо пропорционально длине образца L и обратно пропорционально площади его сечения S, что хорошо описывалось с помощью формулы:
Из этой формулы следует, что единицей измерения ρ в СИ является Ом*м. Для практического применения повсеместно используется модифицированная единица Ом*мм2/м, что более удобно для электротехнических расчётов.
На основе экспериментальных данных может быть построена некая «шкала» УЭС от 10-8 до 1017 Ом*м, демонстрирующая, чем условно отличаются проводник и полупроводник, а также диэлектрик друг от друга.
Кроме УЭС очень полезным является физический параметр, названный удельной электропроводностью (УЭП) или просто электропроводностью σ, которая является величиной обратной УЭС:
В системе СИ единицей измерения УЭП является Ом-1 *м-1 или сименс на метр (См/м).
Электропроводность σ характеризует свойство физической среды проводить ток под влиянием электрического поля E, что следует из формулы:
Если величина ρ удобна при использовании электротехнических задач, то σ применяется для решения научно-технических задач в электродинамике. На картинке ниже показаны границы раздела проводников, полупроводников и диэлектриков, если в качестве основного параметра выбрана величина УЭП.
Механизмы проводимости
Исследования учёных разных стран в XVIII–XIX веках, пытавшихся понять природу электрических явлений, позволили сделать однозначный вывод, что электрический ток представляет собой упорядоченное (согласованное, однонаправленное) перемещение заряженных частиц в той или иной среде при воздействии электрического поля. При этом частицы могут иметь как отрицательный заряд (электроны), так и положительный (ионы).
Проводники
В общем случае проводниками являются металлы, электролиты и плазма:
- В металлах переносчиками заряда являются свободные электроны проводимости, концентрация которых сравнима с концентрацией атомов и составляет порядка 1022 см-3.
- В электролитах эту роль выполняют отрицательные и положительные ионы.
- В плазме заряд переносят как электроны, так и ионы.
Металлы и углерод, имеющий хорошо проводящую структурную версию в виде графита, иногда именуют проводниками 1-рода, а электролиты — 2-го.
Полупроводники
Полупроводниковые материалы при определённых внешних факторах (температура, излучение, давление, магнитное поле) могут приобретать такие физические свойства, которые имеет проводник или же диэлектрик. У полупроводников различают два основных механизма электрической проводимости:
- Собственная электронно-дырочная проводимость реализуется в чистых, беспримесных полупроводниках. Например, в монокристаллических кремнии (Si) и германии (Ge). Понятие о положительно заряженной квазичастице «дырке» (англ. — hole) следует из зонной квантовой теории, объясняющей электрические свойства полупроводников.
- Примесная проводимость обусловлена присутствием в полупроводнике донорных (Nd) или акцепторных примесей (Na). В первом случае проводимость становится электронной, а во втором — дырочной.
Диэлектрики
Идеальный диэлектрик должен обладать бесконечным УЭС, препятствующим возникновению электрического тока. Реальный материал отличается от идеального тем, что в нем всегда имеются внутренние, структурные дефекты и привнесённые примеси, которые являются источниками свободных заряженных частиц. Даже небольшая концентрация свободных зарядов в электрическом поле способна стать причиной тока утечки Iут.
Ещё одной составляющей тока утечки является ток смещения (ток абсорбции) Iабс, обусловленный смещением (поляризацией) связанных зарядов относительно равновесного положения при отсутствии электрического поля. Таким образом, в реальных диэлектрических материалах ток утечки описывается с помощью формулы: Iут = Iскв + Iабс.
Зонная теория
Зонная теория (ЗТ), основы которой заложили физики Ф. Блох и Л. Бриллюэн, позволила понять, почему по своим электрическим свойствам одни твёрдые вещества похожи на проводник, а другие на диэлектрик. ЗТ базируется на квантовых представлениях о внутреннем строении атома.
В начале ХХ века, после выхода в 1913 г. фундаментальных теоретических работ Нильса Бора (1885–1962), дополнившего планетарную модель атома рядом постулатов квантового характера, удалось рассчитать энергетические уровни в водородоподобных атомах, которые были подтверждены экспериментальными данными. Согласно одному из постулатов в отдельном атоме электрон может находиться на орбитах, имеющих только дискретные значения (говорится, что электрон занимает одну из разрешённых орбиталей).
Твёрдые тела состоят из огромного количества атомов (более 1020 см-3), расположенных близко друг к другу. Зонная теория объясняет, как энергия отдельных атомов образует энергетические зоны (или диапазоны):
- Валентные электроны образовывают общую структуру для всего кристалла. При этом число орбиталей становится огромным, а разница энергий электронов на близких орбиталях уменьшается, переходя в квазинепрерывный спектр.
- Происходит расщепление энергетических уровней до слияния в энергетические зоны (валентную зону и зону проводимости).
- В полупроводниках и диэлектриках между валентной зоной и зоной проводимости имеется запрещённая зона ΔЕ.
Величина ΔЕ — фундаментальный параметр в ЗТ. Именно она является ключевым отличием электрических свойств (проводимости) твёрдых веществ.
В соответствии с величиной запрещённой зоны классификация твёрдых тел по степени электропроводности выглядит так:
Как видно из диаграмм, у проводников зона проводимости и валентная зона накладываются друг на друга. У полупроводников между этими зонами присутствует так называемая запрещенная зона. Ее ширина отражает то количество энергии, которое должен получить полупроводник, чтобы начать проводить ток. У диэлектриков запрещенная зона во много раз больше, чем у полупроводников. Различия связаны с внутренним строением веществ.
В современном мире свою среду применения находят и проводники, и диэлектрики, и полупроводники. Без проводников не обойтись при передаче электроэнергии. Диэлектрики используются для изоляции токоведущих элементов оборудования, а полупроводники необходимы для электроники.
Загрузка...
