Разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором

Принципиальное различие между Проводником, Полупроводником и Изолятором зависит от их уровня проводимости. Проводники — это материалы, которые обеспечивают легкое протекание электрического тока, следовательно, имеют высокую проводимость, Полупроводники — это материалы, которые обладают умеренной проводимостью, тогда как изоляторы являются материалами, которые препятствуют прохождению заряда через них, и тем самым имеют низкую проводимость.

Проводимость твердых веществ является основным фактором, который отличает эти три материала и различия в их проводимости объясняет Теория электронных зон. Кроме того, проводники — имеют очень низкое сопротивление, полупроводники — чистые полупроводники имеют очень высокое сопротивление, а изоляторы — имеют чрезвычайно высокое сопротивление. Однако, существуют некоторые другие различия между Проводником, Полупроводником и Изолятором.

Содержание

Обзор и основные отличия
Зонная теория проводимости
Проводники
Изоляторы
Полупроводники
В чем разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором
Заключение

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.

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.

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.

Разница между изоляторами и полупроводниками обусловлена небольшим количеством примесей, добавляемых в полупроводник, что влияет на энергетические зоны. Этот процесс называется легированием.

Полупроводниковые материалы.

Элементы, которые используются в качестве полупроводников, такие как кремний и германий, имеют четыре электрона на внешней оболочке. Это означает, что они могут образовывать четыре связи с другими одинаковыми атомами. В кристалле чистого кремния каждый атом кремния окружен четырьмя другими атомами кремния. В этом состоянии кремний не будет проводить.

Чистый кремний может быть легирован незначительными количествами примесей путем диффузии примесей в виде газа в жидкий полупроводник до его кристаллизации.

Полупроводники n-типа

Если примесный элемент с пятью электронами внешней оболочки, такой как мышьяк, добавить в кремний в небольших количествах (примерно от одного примесного атома на каждый миллион атомов кремния), то примесные атомы будут вписываться в кристаллическую структуру. Дополнительный электрон внешней оболочки не будет связан с валентной зоной кристалла. Это легирование влияет на способность электронов перемещаться между энергетическими зонами. При этом в зоне проводимости доступно больше электронов.

Зоны в полупроводниках n-типа. Между зоной проводимости и зоной валентности имеются дополнительные уровни энергии электронов

Эта примесь заставляет материал проводить и называется полупроводник n-типа. n-тип относится к отрицательному заряду дополнительного электрона.

Полупроводники p-типа

Если примесный элемент с тремя электронами внешней оболочки, такой как индий, добавляется в кремний в одинаковых малых количествах, примесные атомы будут вписываться в кристаллическую структуру, но при этом пропадет один электрон. Это легирование дает больше места для электронов выше валентной зоны. Это увеличивает проводимость материала.

Зоны в полупроводнике n-типа. Между зоной проводимости и зоной валентности имеется пространство для свободных электронов

Эта примесь заставляет материал проводить и называется полупроводник p-типа. р-тип относится к небольшому положительному заряду зазора, вызванному отсутствием электрона.

Полупроводники n-типа и p-типа не имеют общего электрического заряда. Протоны в примесных атомах уравновешивают любое увеличение или уменьшение числа электронов в легированном полупроводнике.

Полупроводник с p-n переходом

Полупроводник с p-n-переходом получают путем легирования одной половины полупроводникового кристалла примесью p-типа, а другой половины — примесью n-типа во время формирования кристалла.

Несмещенный p-n-переход

У несмещенного p-n-перехода отсутствует внешний источник энергии (нет напряжения). В несмещенном полупроводнике электрическое поле создается на обедненном слое между материалом n-типа и материалом p-типа. Это вызвано дисбалансом свободных электронов из-за легирования.

Зоны в полупроводнике с несмещенным p-n-переходом. Левая сторона представляет собой полупроводник p-типа, а правая — полупроводник n-типа. Между ними находится обедненный слой

Обратный смещенный диод

В обратном смещении диод соединен с кремнием p-типа, подключенным к отрицательному полюсу источника питания, а кремний n-типа подключен к положительному. Электрическое поле поперек обедненного слоя увеличивается. Это действует как барьер, который останавливает поток электронов. Уровень энергии валентной зоны в материале p-типа поднимается выше чем у зоны свободных электронов проводимости n-типа. Это связано с сочетанием легирования и электрического поля на стыке.

Прямой смещенный диод

Диод позволяет току течь только в одном направлении. При прямом смещении электроны в зоне проводимости n-типа перемещаются в сторону зоны проводимости р-типа. Электроны падают из зоны проводимости в валентную зону полупроводника p-типа. Энергия выделяется из-за изменения уровня энергии, что приводит к нагреву обычного диода с p-n-переходом при проводимости.

В зависимости от примеси и используемого полупроводника, различие в уровне энергии между зонами проводимости и валентности может быть достаточно большим, и она способна излучать энергию в виде фотона света. Это свойство используется в светодиодах или LED.

Диоды также могут быть выполнены таким образом, чтобы переход поглощал фотоны света. Фотоны света заставляюь электрон из валентной зоны p-типа продвигаться в зону проводимости n-типа в соединении, позволяя диоду генерировать ЭДС. Это свойство используется в фотодиодах или фотоэлементах.

В чем разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором

Фактор, который создает ключевое различие между проводником, полупроводником и изолятором, состоит в том, что энергетический разрыв между зоной проводимости и валентной зоной не существует, поскольку две зоны перекрываются в случае проводника.
Напротив, энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости мала в случае полупроводников. Хотя существует большая разность энергий между двумя зонами в случае изоляторов.
Поскольку проводники допускают большой поток электрического тока, таким образом, проявляется низкое удельное сопротивление по сравнению с полупроводником, удельное сопротивление которого является умеренным. С другой стороны, изолятор обладает самым высоким удельным сопротивлением.
Проводники обладают высокой проводимостью, в то время как полупроводники обладают умеренной проводимостью. Тогда как проводимость изоляторов практически нулевая.
Проводники — это материалы, которые демонстрируют положительный температурный коэффициент сопротивления, так как у них с ростом температуры сопротивление увеличивается. В то время как полупроводники и изоляторы обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, так как их удельное сопротивление уменьшается с ростом температуры.
В случае проводников зона проводимости полностью заполнена, в полупроводнике она частично заполнена, а в изоляторах зона проводимости полностью свободна.
Валентная зона в проводниках практически свободна, в полупроводниках она частично заполнена, поскольку в зоне проводимости присутствуют некоторые электроны из-за небольшой ширины запрещенной зоны. Тем не менее, валентная зона полностью заполнена в случае изоляторов, потому что существует большая запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости.
Обычными проводниками являются медь, алюминий, графит и железо. Кремний и германий являются примерами полупроводников. Тогда как изоляторами являются бумага, резина, стекло и пластик и другие материалы.

Заключение

Таким образом, из вышеприведенного можно сделать вывод, что движение электронов из валентной зоны в зону проводимости отвечает за течение тока. Наличие электронов в зоне проводимости определяет уровень проводимости материала. Поэтому уровень проводимости полупроводников находится между проводниками и изоляторами.