Чем отличается электрический ток в полупроводниках от тока в металлах
Чтобы было понятно: первым полупроводником был Иван Сусанин. :))
На самом деле тут Вас путают: ток в одну сторону пропускает p-n-переход ("пэ-эн-переход"). К простым полупроводникам это не относится.
Полупроводник достаточно хорошо пропускает ток в обычных условиях, правда чуть похуже, чем проводники (те же металлы) . Совсем (или почти совсем) не пропускают ток диэлектрики, хоть Вы об этом и не спрашиваете.
Отличаются полупроводники от проводников характером проводимости при изменении температуры: у металлов при нагревании проводимость падает, а у полупроводников растет. Это отличие хорошо видно при сравнении Вольт-амперных характеристик этих элементов.
И конечно правы те, кто упоминает p-n-переход: он возникает только в зоне контакта полупроводников p- и n-типов (для проводников такое чудо природы недоступно) .
Вот, в основном, и ответ на Ваш вопрос.
Да как сказать. Металл тоже проводит ток лучше или хуже в зависимости от разных факторов - например, частоты.
Серебро с чистотой 99,9999% становится изолятором - свободных ионов для проводимости не хватает. Забавно, да. Так что - не всегда металл - есть проводник.
Проводник - в вагоне, полупроводник - проводил и вышел. гы-гы.
Даже в написании уже понятно! Эффект полупроводимости - была настящая революция в электронике! Это позволило нам перейти с ламп на транзисторы и диоды. Я еще в детстве собирал приемники на основе Детектора - сульфида свинца. Теперь же используют в основном Кремний, раньше Германий.
Проводник передать может ток в любом направлении, пофигу, как подключать, а полупроводник передает ток только в одном направлении. Кусок медного провода, например - проводник, а вот например диод или светодиод - полупроводники, но там есть небольшой обратный ток. А вообще найдите школьный учебник физики и найдите раздел "Про "дырки" и электроны"
Проводник может передатьток в любом направлении, а полупроводник передает ток только в одном направлении.
Да что ж вы после подробного разъяснения путаете полупроводник с p-n переходом. Однородный полупроводник проводит ток в любую сторону.
До фига этих отличий, и связано это с зонной структурой кристалла. Так что физика там довольно сложная.
Если на пальцах, то основные отличия такие:
1. Металлы проводят тток ВСЕГДА, полупроводники - только при достаточновысокой температуре. И с падением температуры их сопротивление начиная с некоторой температуры РАСТЁТ, причём очень сильно, тогда как у металлов оно падает, вплоть до нуля при сверхнизких температурах. И у полупроводников есть температура максимальной проводимости, тогда как у металлов R(T) - монотонная функция.
2. Проводимость металлов создаётся исключительно электронами, тогда как у полопроводников - как электронами, так и дырками (квазичастицы, которые ведут себя как положительно заряженные носители тока) .
3. Проводимость полупроводника может изменяться под действием света (фотопроводимость) , тогда как проводимость металла от света не зависит (не путать это с фотоэффектом, который для металлов есть ВНЕШНИЙ эффект) .
4. Концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике намного - несколько порядков - ниже, чем в металле.
Извините, повторюсь:
Серебро с чистотой 99,9999% становится изолятором - свободных ионов для
проводимости не хватает. Забавно, да. Так что - не всегда металл - есть проводник.
Leonid Высший разум (388488) П-простите. это КАКИХ таких ионов не хватает в МЕТАЛЛИЧЕСКОМ серебре для проводимости?! А в качестве изолятора в некоторых случаях используется медь. Можете сами порыться и нарыть, в каких именно.
Чем отличаются полупроводники от металлов и диэлектриков по электрическим свойствам?
Вообще говоря, ток может быть везде, кроме вакуума. И все твердые тела проводят ток и все они в широком смысле являются "проводниками". Разделение же идет как раз по величине удельной проводимости:
1. Изоляторы (диэлектрики): σ=10^-22÷10^-10 1/(Ом*см). Эти вещества не экранируют электрическое поле, оно проникает внутрь и вызывает поляризацию. У диэлектриков широкая запрещенная зона (электронам нужна большая энергия, чтобы "запрыгнуть" в зону проводимости). Таких электронов (с достаточной энергией) мало: концентрация n=1÷10^5 см^-3
2. Полупроводники: σ=10^-9÷10^2 1/(Ом*см). Запрещенная зона уже. концентрация носителей заряда, соответственно побольше: n=10^6÷10^17 см^-3.
3. Проводники: σ>100, а концентрация носителей n>10^17.
Проводники также делят по проводимости на "просто" проводники, "хорошие" проводники и сверхпроводники. У последних проводимость стремится к бесконечности.
Проводниками являются металлы, полуметаллы (графит, бор, мышьяк). Сверхпроводники - металлы при низких температурах (гелиевые температуры), высокотемпературные сверхпроводники - сложные керамики (Y-Ba-Cu-O, Tl-Ba-Ca-Cu-O) - здесь температуры до 100 К.
Полупроводников - море. Их электрические свойства можно существенно менять, добавляя различные примеси, создавая из них твердые растворы. И заметьте проводят они во всех направлениях - как поле приложите, так ток и потечет.
Теперь Вы видите, эти самые электрические свойства заложены в основу их классификации.
Металлы пропускают электрический ток в обоих направлениях, полупроводники- только в одном, диэлектрики не пропускают вообще.
Диэлектрики вообще не проводят электрический ток.
Металлы хорошо его проводят.
Полупроводники ( по сути это тонкая область в проводнике), обладают свойством в одну сторону электрический ток пропускать, а в обратном направлении нет.
Полупроводник — материал, электрические свойства которого в сильной степени зависят от концентрации в нём химических примесей и внешних условий (температура, излучение и пр.) .
Полупроводники – вещества, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет 0-6 электрон-вольта, например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а InAs к узкозонным.
В зависимости от того, отдаёт ли примесь электрон или захватывает электрон, примесь называют донорной или акцепторной. Свойство примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Плотность свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 шт/см3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности электризоваться во внешенем электрическом поле.
К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стекло, различные смолы, пластмассы неприменно сухие. Химически чистая вода также является диэлектриком.
Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.
Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства.
К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.
Проводник — вещество, проводящее электрический ток. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, и примером проводящих жидкостей — электролиты. Некоторые вещества при нормальных условиях являющиеся изоляторами при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании и т. п.
Проводниками также называют части электрических цепей — соединительные провода и шины.
1. Электрический ток в металлах, полупроводниках, жидкостях и газах. Действия тока
Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение.
Модель металла — кристаллическая решётка (рис. 1 ) , в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.
Отрицательными ионами называют атомы и молекулы, присоединившие к себе лишние электроны — приобретшие отрицательный заряд .
Положительными ионами называют атомы и молекулы, потерявшие электроны — приобретшие положительный заряд .
Положительные ионы располагаются в узлах кристаллической решётки. Свободные электроны движутся в пространстве между ними (рис. 2 ).
В невозбуждённом состоянии атом любого вещества имеет одинаковое количество электронов и протонов, поэтому суммарный их заряд равен нулю. Говорят, что атом электрически нейтрален .
Процесс электризации тела представляет собой приобретение или потерю этим телом электронов и ионов. Подвижными носителями зарядов в твёрдых металлов являются только электроны. При электризации металлических тел с одного на другое переходят только электроны.
Свободным называется электрон, оторвавшийся и не присоединившийся к другим молекулам и атомам, существующий как самостоятельная частица.
Электрический ток в металлах обусловлен наличием свободных подвижных электронов, совокупность которых называют электронным газом .
Электрически нейтральным будет называться вещество, в котором количество положительных зарядов равно количеству отрицательных зарядов.
Оказывается, скорость движения электронов в проводнике чрезвычайно мала, всего лишь несколько миллиметров в секунду. Почему же тогда лампочка загорается сразу после нажатия на выключатель? Все дело в том, при включении света в проводнике возникает электрическое поле (скорость его распространения около 300 000 км/с), которое заставляет
электроны двигаться в одном направлении по всей длине проводника.
Подтверждением того, что ток в металлах обусловлен движением электронов, явились многочисленные опыты, например, опыт Мандельштама и Папалекси (1916 г.). Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока — электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности, закону инерции. К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны ещё некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.
Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали её. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.
По щелчку тока в телефонах Мандельштам и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт — качественный. Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на её выводах.
Электрический ток может существовать не только в металлах, но и в других средах: в полупроводниках, газах и растворах электролитов. Носители электрических зарядов в разных средах разные.
Так, в растворах электролитов (солей, кислот и щелочей) носителями являются положительные и отрицательные ионы, в газах — положительные и отрицательные ионы, а также электроны. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки (дырка — придуманная частица для объяснения механизма проводимости, по сути — свободное место, не занятое электроном).
Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток — являются диэлектриками. При воздействии на полупроводник светом, добавлением примесей или при нагревании появляются свободные носители зарядов, которые при своём направленном движении создают электрический ток. Полупроводник становится проводником.
Свойство полупроводников изменять электропроводность под воздействием света используется в фотосопротивлениях для создания сигнализации, при сортировке деталей.
В экстренных ситуациях они позволяют автоматически останавливать станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.
При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов: движение электронов показано зеленой стрелкой, а направление тока — красной стрелкой (рис. 4 ).
Используя это свойство, можно найти место обрыва фазового провода приборами, реагирующими на изменения в электромагнитном поле, к примеру, индикаторной отвёрткой с фазоискателем.
Магнитное действие тока используют в устройстве гальванометра. Для этой цели между полюсами магнита помещают легкую рамку с витками провода. При протекании тока она поворачивается, увлекая за собой стрелку (рис. 5 ).
Магнитное действие тока проявляется вне зависимости от агрегатного состояния вещества. При замыкании ключа можно наблюдать, как проволока, намотанная на гвоздь, начинает притягивать небольшие железные предметы. Это свойство широко используется в грузоподъёмных электромагнитах.
При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Это явление проявляется в любых устройствах, имеющих нагревательный элемент: фен, плойка, электроплита, калорифер, стиральная машина, тостер, электровафельница и т.д. И даже спираль лампочки накаливания нагревается током до яркого накаливания. Под действием тока нагревается и провисает проволока.
Химическое действие тока применяется для покрытия одного металла слоем другого металла, например, при хромировании и никелировании.
1. Проводники и непроводники электричества
1. Поднесём палочку, имеющую положительный заряд. Лепестки разойдутся сильнее, так как часть положительного заряда перейдёт на электроскоп.
2. Поднесём палочку, имеющую отрицательный заряд. Лепестки сблизятся, так как часть положительного заряда нейтрализуется электронами, перешедшими с отрицательно заряженной палочки.
По изменившемуся углу отклонения лепестков электроскопа мы можем определить знак заряда поднесённого тела.
Количество заряда, переданное электроскопом, можно определить по изменению положения металлизированных листочков. Чем больше заряда перешло на электроскоп, тем сильнее листочки отклонятся от первоначального положения. Если листочки висят свободно, то заряда на электроскопе нет.
Электрометр - это электроскоп, в котором нанесена шкала для определения количества изменившегося заряда. На его металлическом стержне прикреплена лёгкая металлическая пластина, которая отклоняется при появлении заряда. Чем больший заряд сообщаем электрометру, тем больший угол отклонения стрелки указателя.
Вещества и материалы (в зависимости от их способности передавать электрические заряды) можно разделить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики (непроводники электричества).
Проводники — тела или материалы, через которые электрические заряды могут свободно переходить от заряженного тела к незаряженному.
Хорошие проводники электричества — это металлы, растворы солей, кислот и щелочей. Человеческое тело также является проводником. Если дотронутся пальцем до заряженного электроскопа или электрометра, то он тут же разрядится. Об этом можно судить по опустившимся листочкам. Это свидетельствует о том, что заряд через тело ушел в землю.
Хорошими проводниками электрического тока являются металлы, например, серебро, медь, алюминий, железо, золото и другие.
Тела, а также вещества и материалы, через которые электрические заряды не могут переходить с заряженного тела на незаряженное тело, называют н епроводниками электрического тока или диэлектриками.
К веществам, не проводящим электричество, относят бумагу, стекло, фарфор, янтарь, резину, эбонит, пластмассы, сухой воздух.
Полупроводниками называют вещества, проводимость электрического тока которых зависит от концентрации примесей, температуры и воздействия разных видов излучения. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
К полупроводникам относятся кремний, германий, селен и др. У полупроводников способность проводить электрические заряды резко увеличивается при повышении температуры.
При помощи электроскопа (электрометра) можно проверить, является ли данное вещество проводником электричества.
Если прикоснуться данным веществом к стержню заряженного электроскопа (держа его в руках) и его заряд станет равным нулю, то данное вещество является проводником. Если показание не изменится, то данное вещество — диэлектрик.
Необходимо учитывать, что при изменении влажности, например, сухое дерево (диэлектрик) становится влажным. Вода является проводником электричества, поэтому влажное дерево тоже становится проводником.
Рис. 1. Электроскоп. © ЯКласс.
Рис. 2. Воздействие положительно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 3. Воздействие отрицательно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 4. Передача заряда на электрометр. © ЯКласс.
Читайте также: