1.6 Проводники, полупроводники, диэлектрики

По способности проводить электрический ток вещества можно разделить на проводники, полупроводники и диэлектрики. Эта способность обусловлена особенностью строения веществ.

В проводниках присутствуют свободные носители заряда – это часть электронов сравнительно слабо связанных с ядром, которые могут перемещаться с орбиты одного ядра на орбиту другого под воздействием внешнего электрического поля. Такие электроны называются свободными. К проводникам относятся такие вещества, как медь, алюминий.

Диэлектриками, называются вещества, основным электрическим свойством которых является их способность поляризоваться в электрическом поле. Строение диэлектриков характеризуется наличием незначительного количества свободных электронов и молекул, вытянутых по форме (полярные диполи). Суть явления поляризации заключается в том, что под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля. В дипольных диэлектриках воздействие электрического поля вызывает соответствующую ориентацию дипольных молекул в направлении поля; при отсутствии поля диполи расположены беспорядочно вследствие теплового движения. В результате поляризации на поверхности диэлектрика образуются заряды разных знаков.

Проводимость диэлектриков обусловлена наличием незначительного числа свободных зарядов. Диэлектрические материалы обладают очень большим электрическим сопротивлением, которое находится в пределах 10⁶… 10²² Ом*м.

Диэлектрические материалы классифицируют по:

-агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;

-по способу получения: естественные, синтетические;

-по химическому составу: органические, неорганические;

-по строению молекул: нейтральные, полярные.

К диэлектрикам относятся воздух, азот, элегаз, лаки, слюда , керамика, полэтилен.

Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками занимают полупроводники. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники - германий Ge и кремний Si.

Чистые полупроводник обладают высоким удельным сопротивлением в пределах 0,65… 108Ом*м. Для снижения высокого удельного сопротивления в чистые полупроводники вводят примеси – проводят легирование, такие полупроводники называются легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III (бор B) и V(мышьяк As) групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Чистые полупроводники кристаллизируются в виде решетки. Каждая валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов и находится в состоянии равновесия (а).

Элементы III группы (бор B) имеют на внешней оболочке три электрона (б). Поэтому хотя атом бора и «встанет» в кристалл, одного электрона не будет хватать. Отсутствие электрона проводит к образованию «дырки» в кристалле, что равносильно появлению положительного заряда. Если к такому полупроводнику приложить напряжение, электроны начнут двигаться к положительному контакту, а «дырки» - в обратном направлении. Двигающиеся «дырки» рассматриваются как положительно заряженные носители и полупроводники называются полупроводниками р-типа, а примеси -акцепторными.

Элементы V группы (мышьяк As) имеют на внешней оболочке пять электронов (в). Поэтому в кристалле один электрон окажется лишним. Примеси, при добавлении которых к полупроводнику, образуются свободные электроны, называются донорными. Проводимость в полупроводнике с донорной примесью осуществляется за счет свободных электронов. Такой проводник называется полупроводником n-типа.

Область на границе двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой - электронную проводимость называют р-n-переходом. Ее свойства проводить ток при приложении напряжения в определенном направлении используют в работе полупроводниковых приборов (полупроводниковых диодов, биполярных транзисторов).