Основным отличием элемента металлов от элемента группы полупроводников является

Разница между полупроводниками и металлами

Твёрдые тела — это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.

Определение

Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.

Металлы — это твердые тела, которые имеют определенную структуру.

Сравнение

Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.

Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках. У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.

Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.

Источник

Отличия металлов от полупроводников и диэлектриков

Дискретным уровням атома в твердом теле соответствует всегда дискретная система разрешенных зон, разделенных запретными зонами. Как правило, если электроны образуют в атоме или молекуле законченную группу, то при объединении их в твердое или жидкое тело создаются зоны, все уровни которых заполнены, поэтому такие вещества будут обладать при абсолютном нуле свойствами изоляторов. Сюда относятся решетки благородных газов, молекулярные и ионные решетки соединений с насыщенными связями. В решетках алмаза, кремния, германия, a-олова, соединений типа AIIIBV, AIIBVI, CSi каждый атом связан единичными валентными связями с четырьмя ближайшими соседями, так что вокруг него образуется законченная группа электронов s2p6, и валентная зона оказывается заполненной.

Не вдаваясь в подробности строения зон, подчеркнем, что полупроводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валентная зона у них при T » 0°К всегда полностью заполнена электронами, а ближайшая свободная зона (зона проводимости) отделена от валентной зоной запрещенных состояний Ширина запрещенной зоны DЕ у полупроводниковот десятых долей электрон-вольт до 3 эв (условно), а у диэлектриковот 3 до 5 эв (условно). Если между полупроводниками и диэлектриками существует только количественное различие, то отличие их от металлов качественное. Чтобы проходил ток в металле, не требуется никакого другого воздействия, кроме наложения электрического поля, так как валентная зона в металле не заполнена или перекрывается с зоной проводимости (рис. 20, а).

Читайте также:  Контейнер для заготовок металла

На рис. 20 изображены схемы появления дырки в атомной решетке элементарного полупроводника и возникновение электрона проводимости.

Рис. 20. Схема энергетических зон: а — в металле; б — в полупроводнике; в — в диэлектрике; DE ширина запрещенной зоны

Для возбуждения проводимости в полупроводнике (Рис. 20, б) необходимо к электрону, находящемуся в заполненной валентной зоне, подвести энергию, достаточную для преодоления зоны запрещенных состояний. Только при поглощении энергии не меньше, чем DЕ, электрон будет переброшен из верхнего края валентной зоны в свободную зону (зону проводимости). Если этот энергетический порог преодолен, то чистый (собственно) полупроводник имеет электронную проводимость. Чем меньше ширина запрещенной зоны DЕ, тем больше проводимость при данной температуре. Так как у диэлектриков DЕочень велика, то проводимость их очень мала (рис. 20, б).

При приближении к абсолютному нулю термическое возбуждение оказывается недостаточным, и полупроводники становятся диэлектриками, а металлы — сверхпроводниками. Чем выше температура и чем более интенсивно полупроводник облучается квантами с энергией hvне меньше DЕ, тем больше проводимость собственно полупроводника, так как увеличивается число электронов, перебрасываемых из валентной зоны в зону проводимости.

Для чистых полупроводников при убывании частоты падающего света коэффициент поглощения при некотором значении v резко падает, и материал становится прозрачным для лучей с меньшими частотами. Этот участок быстрого спада поглощения называется краем собственного поглощения. Длина волны X и частота v, отвечающая краю собственного поглощения, приближенно определяются условиями:

где DЕ называется оптической шириной запрещенной зоны.

Энергия квантов видимого света лежит в пределах 1,5—3,0 эв, т.е. обычно превышает энергию возбуждения проводимости (АЕ). Если в полупроводнике есть некоторое количество примесей, он становится непрозрачным в широкой области частот — от ультрафиолетовой вплоть до радиочастот.

Металлы при облучении светом практически не изменяют проводимость, так как число электронов проводимости в них не изменяется. Дальше мы остановимся на причинах большой чувствительности полупроводников к дефектам строения кристаллов и к нарушению состава, чем они также сильно отличаются от металлов.

Уход электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости оставляет свободное место (дырку) в валентной зоне с положительным зарядом, численно равным заряду электрона. Таким образом, дыркой называется освобожденное от электрона место в области нарушенной ковалентной связи, соединяющей соседние атомы собственно полупроводника, имеющее единичный положительный заряд.

Электрон, появившийся в междоузлии, является подвижным носителем заряда. Такие электроны, как и дырки, могут свободно перемещаться по кристаллу (диффундировать). Если поместить кристалл в электрическое поле с напряжением, падающим справа налево, то «свободный» электрон приобретает направленное движение против поля (вправо). Кроме того, на место образовавшейся дырки (+) перейдет электрон из какого-либо места соседней связи левее дырки. Таким образом, образуется новая дырка вместо прежней. Следовательно, дырка перемещается по направлению поля (влево) при скачках электронов в валентной зоне, совершающихся слева направо, как показано на рис. 21 (стрелками). Перенос заряда электронами валентной зоны называют дырочным. Таким образом, в собственных полупроводниках бывает двоякий механизм проводимости: электронный и дырочный. Удельная электропроводность полупроводника в общем случае выражается уравнением:

где: ип и ир — подвижности соответственно электронов и дырок; n и p — их концентрации.

Рис. 21. Схема разрыва валентной связи и появление свободного электрона и дырки как носителей заряда: а — в плоском изображении; б — в зонной энергетической диаграмме; А — атомы кремния или германия; (:) — валентные электроны, осуществляющие связь соседних атомов; (+) — дырка; (—) — свободный электрон; ЕС — нижний уровень свободной зоны; ЕВ — верхний уровень валентной зоны

В собственном полупроводнике

где: k — константа Больцмана, равная 1,38 × 10-16 эрг/град, или 0,863 × 10-4 эв/град; А для полупроводников с ковалентными связями (например, кремния и германия) пропорциональна Т1,5, а подвижности носителей заряда пропорциональны Т-1,5, поэтому без большой погрешности можно написать

Читайте также:  Сдать на металлолом кузов авто

считая s0 — постоянной величиной для данного полупроводника. Логарифмируя, получим:

Это уравнение прямой линии In s = f с угловым коэффициентом tg j = . Отсюда:

где j — угол между прямой и положительным направлением оси 1/Т.

Так как этот угол всегда тупой, то tgj 0. Здесь DЕназывают термической шириной запрещенной зоны, т. е. вычисленной из температурного хода проводимости.

Возникновение пары электрон — дырка за счет нарушения нормально заполненной связи (НЗ) можно записать в виде уравнения обратимой реакции НЗ + DЕ ↔ + (где — электрон проводимости, — дырка). При заданной температуре устанавливается динамическое равновесие. Процесс, идущий слева направо, является генерацией электронов и дырок, а обратный процесс называется рекомбинацией электронов и дырок. При повышении температуры в соответствии с принципом Ле Шателье это равновесие сдвигается вправо. При данной температуре по закону действия масс можно записать константу равновесия так: К. = пр/[НЗ].Из того что практически очень большая величина [НЗ] постоянна, следует

Нормально заполненных связей практически столько, сколько связей в 1 см3. Например, в 1 см3германия связей (6,02 × 1023 × 5,32/72,59) × 2 = 9,0 × 1022 (здесь 5,32 — плотность германия, г/см3; 72,59 — его атомная масса). Дробь, представляющая собой число атомов германия в 1 см3, умножается на 2 потому, что каждый атом имеет 4 связи с соседними атомами, но каждая связь соединяет два атома.

Для беспримесного полупроводника п= р = пi (пi — от слова intrinsic — собственный); поэтому предыдущее уравнение можно представить:

Это значит: произведение концентраций электронов проводимости и дырок в полупроводнике при постоянной температуре постоянное, равное произведению концентраций их в собственном полупроводнике при той же температуре и не зависит от характера и количества содержащихся в нем примесей. Для германия при 300o К пр 6,25 × 1026. Отсюда концентрация электронов и дырок в беспримесном германии п= р = пi = 2,5 × 113 см-3.Для кремния niпримерно на три порядка меньше.

Источник

Чем полупроводники отличаются от металлов

Твёрдые тела — это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.

Что такое полупроводники и металлы

Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.
Металлы — это твердые тела, которые имеют определенную структуру.

Сравнение полупроводников и металлов

В чем же разница между полупроводниками и металлами?
Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках.
У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.
Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.

Читайте также:  Как металлическая связь влияет на физические свойства металла

TheDifference.ru определил, что отличие полупроводников от металлов заключается в следующем:

Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
Электрический ток в металлах — это направленное движение электронов.
У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.

Источник

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.

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.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector