Электрический ток в проводниках диэлектриках полупроводниках
В электростатическом поле проводники — металлы, щелочные, кислые и солевые растворы, а также ионизированные газы. Носители свободных зарядов в металлах — это свободные электроны.
При поступлении в однородное электрическое поле, где металлы — проводники без заряда, начнется движение в направлении, которое противоположно вектору напряжения поля. Скапливаясь на одной стороне, электроны создадут отрицательный заряд, а на другой стороне недостаточное их количество станет причиной появления избыточного положительного заряда. Получится, что заряды разделятся. Некомпенсированные разные заряды возникают под воздействием внешнего поля. Таким образом, они индуцированы, а проводник в электростатическом поле остается без заряда.
Диэлектрики.
При T = 0 валентные электроны целиком заполняют наинизшую зону, называемую валентной зоной (рис. 2). Свободных уровней в ней нет, а следующая разрешенная зона — зона проводимости — отделена от нее широкой запрещенной зоной. Если к такому образцу приложить электрическое поле, оно не сможет ускорить электроны, то есть создать электрический ток, так как ускорить электрон — значит сообщить ему дополнительную энергию, а, согласно законам квантовой механики, это можно сделать, только переведя его на более высокий энергетический уровень. Но принцип Паули запрещает электронам занимать уже занятые уровни, а попасть в следующую разрешенную зону, которая совершенно пуста, они не могут, потому что энергия, полученная от электрического поля, много меньше ширины Δ запрещенной зоны.
При температуре, отличной от нуля, электроны, в принципе, могут перейти в зону проводимости и стать носителями электрического тока. Однако для того чтобы число электронов, перешедших в эту зону, было достаточно большим, нужно диэлектрик нагреть до такой высокой температуры, что он расплавится, прежде чем ток достигнет измеримой величины. При комнатной температуре ток в диэлектрике практически не течет.
Диэлектрики
Диэлектрики имеют полностью заполненную валентную зону и большую ширину запрещенной зоны. Электроны валентной зоны, даже при сильном возбуждении атомов (нагрев, облучение и т.д.), не способны преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости.
К диэлектрикам относятся твердые вещества с ковалентной (алмаз, кварц) или ионным типом связи (оксиды MgO, Al2 O3 , TiO2 , соли NaCl, CaF2 и т.д.). Для ионных кристаллов ширина запрещенной зоны превышает DE> 6 эВ. В молекулярных кристаллах энергетические уровни локализованы в пределах молекул и энергетические зоны не возникают, поэтому такие вещества — диэлектрики.
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Проводники и диэлектрики в электростатическом поле»
Как вы знаете из курса физики восьмого класса, все тела можно классифицировать, в соответствии с их способностью проводить электрический ток. Тело может являться проводником, полупроводником или диэлектриком. Проводниками называют тела, проводящие электричество, а диэлектриками называют тела, не проводящие электричество.
Полупроводники — это тела, которые меняют свои свойства проводимости в зависимости от внешних условий. Но о полупроводниках мы поговорим позже, а сегодня мы рассмотрим проводники и диэлектрики. Рассмотрим, что происходит с проводником, помещенным в электростатическое поле. Конечно, к проводникам, в первую очередь, относятся металлы, в которых существуют, так называемые, свободные заряды. Свободные заряды — это электрические заряды, способные перемещаться внутри проводника. Как вы знаете, в металлах наблюдается металлическая связь. Нейтральные атомы металла начинают взаимодействовать друг с другом, в результате чего, некоторые электроны отрываются от атомов и становятся свободными. Эти электроны начинают участвовать в тепловом движении и могут перемещаться по всему проводнику в случайных направлениях. Иными словами, свободные электроны в проводнике ведут себя подобно молекулам газа. Поскольку все атомы изначально электрически нейтральны, если они теряют электрон, они становятся положительно заряженными ионами.
Таким образом, в проводниках наблюдается следующая картина: положительно заряженные ионы оказываются окружены так называемым электронным газом. Конечно, не надо думать, что электроны образуют какой-то реальный газ. Просто их движение очень напоминает хаотическое движение молекул газа.
Рассмотрим случай, когда металлический проводник находится в однородном электростатическом поле.
Как вы знаете, под действием электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение (то есть, в проводнике возникает электрический ток). В результате одна сторона проводника заряжается отрицательно, а другая — положительно. Это явление называется электростатической индукцией. То есть электростатическая индукция — это явление наведения собственного электростатического поля под воздействием внешнего электрического поля.
Итак, из-за электростатической индукции, возникает другое электростатическое поле, создаваемое появившимися зарядами. По принципу суперпозиции полей, это поле накладывается на внешнее поле и компенсирует его. Из этого мы можем сделать очень важный вывод: напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю:
Этот факт используется для создания электростатической защиты: чувствительные к электрическому полю приборы, помещаются в металлические ящики. В настоящее время даже некоторые виды спецодежды включают в себя современные электропроводящие материалы, которые создают внутри костюма замкнутое пространство, защищенное от воздействия электрических полей.
Впервые, эксперимент, подтверждающий отсутствие электростатического поля внутри проводника, провел Майкл Фарадей еще в 1836 году. По его указанию большую деревянную клетку оклеили листами оловянной фольги (которая является проводником). Предварительно клетку изолировали от земли и сильно зарядили ее (так что при приближении к ней тел, с ее поверхности вылетали искры).
Тем не менее, сам Фарадей совершенно спокойно находился внутри данной клетки. Более того, в его руках был исправный электроскоп, который показывал полное отсутствие электрического поля. Впоследствии, подобные конструкции получили название «клетка Фарадея».
Необходимо отметить еще один важный факт: вблизи поверхности (вне проводника) линии напряженности электростатического поля перпендикулярны этой поверхности.
Если бы это было не так, и какая-то линия напряженности была бы не перпендикулярна поверхности, то это привело бы к движению свободных зарядов. Такое движение продолжается до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярны поверхности проводника. Надо сказать, что весь статический заряд любого проводника находится на поверхности этого проводника. В этом легко убедиться, поскольку мы уже выяснили, что напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю. Следовательно, внутри проводника никакого заряда нет, поскольку в противном случае, он создавал бы отличную от нуля напряженность.
Теперь давайте поговорим о диэлектриках. Диэлектрики в электростатическом поле ведут себя иначе, чем проводники. Диэлектрики, наоборот, не проводят ток, но внутри них может существовать электрическое поле.
Дело в том, что в диэлектриках не возникают свободные заряды, поскольку между ядрами атомов и электронами существует довольно сильная связь. Приведем два классических примера распределения электрического заряда. Как вы знаете, ядро водорода состоит из одного протона, а вокруг этого протона вращается один электрон. В целом, атом электрически нейтрален. Электрон вращается вокруг протона с очень большой скоростью: за одну секунду он делает порядка 10 15 оборотов. Это говорит нам о том, что каждую микросекунду электрон оказывается в любой точке своей орбиты миллионы раз. Поэтому, смело можно считать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда находится в центре атома, то есть совпадает с положительно заряженным ядром.
Тем не менее, есть и другие случаи. Например, молекула поваренной соли состоит из атома натрия и атома хлора. Из курса химии вы знаете, что атом хлора имеет 7 валентных электронов, а у атома натрия всего один валентный электрон. Поэтому, в процессе образования молекулы, атом хлора захватывает электрон натрия, в результате чего образуется система из двух ионов. Теперь центр распределения отрицательного заряда приходится на ион хлора, а центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия. Тем не менее, в целом молекула остается электрически нейтральна. Подобные системы называются электрическими диполями.
В связи с этим, разделяют два вида диэлектриков: неполярные и полярные. Неполярные диэлектрики — это диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.
И наоборот, полярными диэлектриками называются диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
О поляризации диэлектриков мы поговорим более подробно в одном из следующих уроков. А сейчас давайте рассмотрим величину, характеризующую свойство диэлектрической среды, которая называется диэлектрической проницаемостью. Эта величина показывает, во сколько раз кулоновская сила взаимодействия между двумя точечными зарядами в данной среде меньше, чем кулоновская сила взаимодействия этих же зарядов в вакууме:
Таким образом, мы можем записать закон кулона для произвольной среды:
В формулу добавляется диэлектрическая проницаемость, то есть, характеристика среды. Диэлектрические проницаемости многих сред измерены и сведены в таблицы. Эти величины измерены экспериментально, например, с помощью измерения кулоновских сил тех же зарядов в различных средах.
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.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Все материалы в той или иной степени проводят электрический ток, т.е. имеют электропроводность. По этому признаку материалы подразделяются на проводники, полупроводники, диэлектрики.
Способность и возможность материала проводить электрический ток главным образом обусловлена: типом химической связи; шириной запрещенной зоны; видом свободных носителей заряда, их концентрацией и подвижностью.
Основными параметрами, характеризующими электрические свойства, являются: удельная электропроводность g(Ом-1 · м-1 ); удельное электросопротивление ρ (Ом · м); температурный коэффициент удельного электросопротивления aρ , или ТКС (К-1).
Удельная электропроводность
gсвязывает плотность тока
j
(А/м2) и напряженность электрического поля
Е
(В/м), вызывающего этот ток, соотношением
j
= g
E
(дифференциальная форма закона Ома).
Удельное электросопротивление —
величина, обратная удельной электропроводности: ρ = 1/g.
Для тела с постоянным поперечным сечением S,
сопротивлением
R
и длиной
l
ρ определяется по формуле
Согласно теории электропроводности, gможет быть выражена следующей формулой:
и
т —
соответственно заряд и масса носителя заряда (электрона в проводниках, электрона и дырки в полупроводниках, иона в диэлектриках);
v
и l— скорость и длина свободного пробега носителя заряда;
п —
концентрация носителей заряда, т.е. их количество в единице объема.
Изменение удельной электропроводности, а следовательно, и удельного электросопротивления в реальных материалах связано с изменением концентрации и длины свободного пробега носителей заряда.
Под действием электрического поля носители заряда приобретают ускорение, а их скорость пропорциональна напряженности поля:
(м2 /В·с) — подвижность носителей заряда — отношение скорости их направленного движения, вызванного электрическим полем, к напряженности этого поля. Она определяется выражением
Величина электропроводности сильно зависит от рассеяния носителей на несовершенствах кристаллической решетки — структурных дефектах и фононах. В результате рассеяния уменьшаются длина свободного пробега, скорость и подвижность носителей заряда.
Электроны в изолированном атоме имеют строго определенные дискретные значения энергии. В твердом теле из-за сближения атомов и сильного взаимодействия электронов и ядер происходит расщепление энергетических уровней атомов и объединение их в энергетические зоны
Энергетическая зона, образовавшаяся при расщеплении уровней валентных электронов, называется валентной зоной (Еv).
Следующая за ней зона разрешенных энергий —
зона проводимости (Ec).
Между ними расположена
запрещенная зона (Eg).
Если электрон получает энергию, превышающую ширину запрещенной зоны, то он переходит из валентной зоны в зону проводимости и участвует в электропроводности.
В соответствии с зонной теорией твердые тела подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики.
— материалы, у которых валентная зона и зона проводимости перекрываются или примыкают друг к другу, поэтому электроны в металле свободны, т.е. могут переходить из валентной зоны в зону проводимости при приложении незначительной напряженности электрического поля. Атомы в металлах связаны друг с другом
металлической связью.
Валентные электроны имеют высокую подвижность и из-за перекрытия
Еv
, и
Ес
легко перемещаются в решетке металлического кристалла.
В металлах наблюдается электронный тип
электропроводности. При этом ускоренные полем электроны переносят только заряд. Переноса массы, как, например, в материалах, имеющих ионный тип электропроводности, не происходит.
Рис. 4.1. Энергетические зоны в твердом теле
Диапазон значений ρ металлических проводников занимает три порядка: от 1,58·10-8 Ом·м у серебра до 1000·10-8 Ом·м у сплавов системы Fe—Cr—A1.
Полупроводники
по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками: их удельное электросопротивление составляет 10-6 —109 Ом·м, ширина запрещенной зоны — от 0,05 до 2,5—3 эВ (энергия теплового движения при комнатной температуре
kT
0,03 эВ). Атомы в полупроводниках могут быть связаны как ковалентной неполярной и полярной, а также ионной связью; тип электропроводности —
электронно-дырочный.
Так же как и диэлектрики, полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС) aρ, т.е. с ростом температуры ρ полупроводников уменьшается, тогда как ρ металлов увеличивается.
Важной особенностью полупроводников является высокая чувствительность удельного электросопротивления не только к тепловым, но и к другим внешним воздействиям (электромагнитным полям, излучению, давлению и т. д.). Это обусловлено типом химической связи между атомами в кристаллической решетке полупроводника, а также наличием примесей и других дефектов, даже ничтожные концентрации которых существенно влияют на концентрацию свободных носителей заряда и, следовательно, на электрические свойства материала.
В промышленности применяются полупроводники, имеющие и электронный и дырочный
У диэлектриков
ширина запрещенной зоны превышает 3 эВ, удельное электросопротивление составляет 109—1016 Ом·м. Так же как и в полупроводниках, в диэлектриках может осуществляться ковалентный тип связи. Особенностью электропроводности твердых диэлектриков является в большинстве случаев ее ионный характер. Так как
Eg >> kT,
лишь очень незначительное количество электронов может оторваться от своих атомов под действием тепловой энергии, и их вклад в электропроводность пренебрежимо мал.
Ионная электропроводность
может быть обусловлена передвижением как ионов примесей, так и ионов самого диэлектрика.
Следует отметить, что электронный тип проводимости может быть ощутимым в том случае, если в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны образуется большое число соответственно донорных и акцепторных уровней. Появление таких уровней может быть вызвано наличием примеси и дефектов кристаллической решетки.
Электронная электропроводность, обусловленная наличием свободных электронов, проявляется в сильных электрических полях и приводит к пробою изоляции. При электронной электропроводности переноса вещества не происходит, в то время как при ионной это явление наблюдается.
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.
