Чем полупроводники отличаются от металлов. Свойства полупроводников

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.

Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Отличие полупроводников от металлов и диэлектриков

Электропроводимость металлов выше Ю Ом -см , диэлектриков ниже 10 Ом -см- (при 298 К), проводимость полупроводников лежит между этими значениями. Однако главное отличие полупроводников от металлов состоит не в количественной оценке электропроводности, а в характере зависимости проводимости от температуры (рис. 4.19). Температурная зависимость проводимости металлов определяется временем свободного пробега электронов. С повышением температуры тепловые колебания атомов в узлах кристаллической решетки усиливаются, что приводит к увеличению взаимодействия их с электронами и к понижению проводимости. [c.187]

Отличия полупроводников от металлов и диэлектриков [c.243]

Важнейшее отличие металлов от полупроводников и диэлектриков. Электронная и дырочная проводимость. [c.231]

В качестве иллюстрации того, как внешние факторы влияют на электрическую проводимость полупроводников, приведем следующие данные. Селеновый полупроводник при глубоком охлаждении становится изолятором его электрическая проводимость уменьшается в миллиарды раз (I млрд = Ю ). Вообще все полупроводники при температурах, близких 0° К, становятся диэлектриками. С повышением температуры у них электрическая проводимость повышается. В этом отношении полупроводники отличаются от металлов, у которых электрическая проводимость при нагревании понижается. [c.452]

Иначе говоря, полупроводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валентная зона у них заполнена электронами, а ближайшая свободная зона (зона проводимости) отделена от валентной зоной запрещенных состояний. При этом ширина запрещенной зоны у полупроводников от десятых долей до 3 эВ, а у диэлектриков от 3 до 5 эВ (рис, 72). [c.265]

При повышении температуры проводимость полупроводников в отличие от металлов обычно возрастает (см. 2). Электропроводность диэлектриков тоже возрастает. При температуре, близкой к абсолютному нулю, проводимость полупроводников и диэлектриков практически нулевая. По электрическим свойствам полупроводники стоят ближе к диэлектрикам, чем к металлам, от которых они имеют принципиальное качественное отличие. [c.232]

С позиций зонной теории, отличие металлов от полупроводников и диэлектриков в случае полностью заполненной валентной [c.49]

Объяснение электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков дается на основе квантовой теории строения кристаллических тел — так называемой зонной теории. Рассмотрим некоторые общие положения этой теории. Переход атомных паров в кристаллическое вещество можно рассматривать как химическую реакцию, так как оптические, термодинамические, электрофизические и другие свойства твердых тел отличаются от свойств газов. Важно отметить, что атомные спектры газов имеют линейчатое строение, а спектры твердых тел имеют сплошной характер или полосатую, очень сложную структуру. Уже при взаимодействии двух одинаковых атомов дискретные атомные энергетические уровни расщепляются и превращаются в полосы. Тем большее расщепление уровней происходит, когда большое число N атомов, например лития, сближается с далеких расстояний до расстояний, на которых они находятся в кристаллической решетке. На рис. 70, а это расстояние между ядрами обозначено на оси абсцисс буквой о- По оси ординат отложена энергия. Находясь на больших расстояниях, атомы не взаимодействуют друг с другом, и диаграмма уровней будет такая же, как и для изолированного атома лития (1 25 ). При сближении атомов начнется взаимодействие между ними, прежде всего у каждого из них станет расщепляться уровень валентных электронов (2х). Уровень 2з) расщепляется в систему весьма близко расположенных N уровней, образуя целую полосу (зону) уровней. Более глубокие уровни при образовании кристалла оказываются совсем не расщепленными или только незначительно расщепленными. [c.233]

Как указывалось выше, при повышении температуры наблюдается падение удельной электрической проводимости металла. В противоположность это.му проводимость полупроводников с повышением температуры растет (у диэлектриков это выражено слабее). Электрическая проводимость полупроводников в отличие от металлов не уменьшается, а увеличивается в присутствии небольших количеств примесей, при наличии дефектов в строении кристаллических решеток, а также под действием света и различного рода излучений. [c.265]

В общем случае величина а Т. т. зависит от механизма рассеяния носителей заряда, к-рое может происходить на тепловых колебаниях атомов (ионов), нейтральных и заряженных собств. и примесных точечных дефектах, линейных, поверхностных и объемных дефектах кристаллич. решетки. В случае металлов а имеет электронную природу и подчиняется закону Ома. Для металлов характерно уменьшение а с т-рой. В отличие от металлов у полупроводников с повышением т-ры а увеличивается вследствие значит, возрастания концентрации своб. носителей заряда. В диэлектриках осн. носители заряда-ионы, вследствие чего а сопровождается переносом в-ва. Электронная проводимость диэлектриков возникает лишь при высоких электрич. напряжениях, близких к пороговым и соответствующих пробою. Как и в полупроводниках, о возрастает с повышением т-ры. [c.502]

В отличие от металлов, у полупроводников все уровни в валентной зоне целиком заполнены и электропроводность может осуществляться лишь при переходе электронов в возбужденную зону (зону проводимости). Для перехода электронов с энергетических уровней валентной зоны в зону проводимости должна быть преодолена запрещенная зона, ширина которой может быть различной. Запрещенная зона может быть настолько широка, что при комнатных температурах приложенная извне тепловая энергия или, например, энергия освещения окажется недостаточной для перехода электронов в зону проводимости в количествах, обеспечивающих электропроводность вещества в указанных выше пределах. Такие твердые тела являются диэлектриками к ним обычно относят вещества, у которых ширина запрещенной зоны превышает 2 эв. [c.62]

Все вещества по электропроводности можно разделить на три класса металлы, полупроводники, изоляторы (диэлектрики). Удельная электропроводность у металлов 6,3-10 -i- 4-10 сим м, у полупроводников 10 10 спм м, у диэлектриков 10 -i–i- 10 сим м. Таким образом, к полупроводникам относят вещества, электропроводность которых отличается между собой на много порядков. [c.265]

Возникновение электрохимии полупроводников как новой главы теоретической электрохимии обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, многие электрохимические процессы, протекающие на границе электрод — электролит, совершаются фактически на поверхности, обладающей полупроводниковыми свойствами, со всеми особенностями, присущими такого рода материалам. Проводимость этих поверхностных слоев — окислов металлов, их гидридов, интерметаллических соединений и т. п.— по своей величине лежит между проводимостью металлов и диэлектриков. Она чувствительна к внедрению в основной слой следов примесей и в противоположность металлам увеличивается с температурой. Прохождение тока через полупроводники в общем случае осуществляется электронами (п-проводимость) или дырками, т. е. вакансиями, оставшимися после ухода электронов в другую энергетическую зону (р-проводимость). В отличие от металлов, в полупроводниках вблизи их поверхности раздела с другими фазами имеется широкая область объемного заряда, что значительно усложняет картину двойного электрического слоя. Выяснение кинетики многих электрохимических реакций (процессы в химических источниках тока, анодное растворение металлов и т. п.) становится поэтому невозможным без разработки электрохимии полупроводников. Во-вторых, в самой технологии получения полупроводниковых материалов, идущих на изготовление радиотехнических приборов, солнечных батарей и т. п., важную роль играют процессы, являющиеся по своей природе электрохимическими. К ним относятся, например, анодное и обычное травление полупроводников, осаждение тонких слоев металла на поверхность полупроводников и др. [c.491]

Все твердые вещества по их электрической проводимости можно разделить на три типа проводники, диэлектрики и полупроводники. Металлы проводят электрический ток очень хорошо, диэлектрики — очень плохо. Диэлектриками могут быть ковалентные вещества, состоящие из небольших молекул, например, трииодид фосфора, для которых энергия, необходимая для отрыва электрона от одной молекулы и передачи его другой, слишком велика для практических целей . Диэлектриками являются почти все ионные кристаллы, а также твердые вещества с непрерывной ковалентной решеткой, такие, как кварц или алмаз (но в отличие от алмаза графит — проводник). [c.140]

В гл. 1 мы качественно рассмотрели природу сил, связывающих атомы и ионы в твердых телах, однако многие физические и химические свойства твердых тел можно понять только после более глубокого изучения электронного строения и природы сил связи в твердом теле. Одна из главных задач любой теории твердого тела состоит в том, чтобы объяснить, почему твердые тела могут принадлежать столь различным по свойствам классам, как диэлектрики и металлы (которые по электропроводности могут отличаться в 10 раз ). В первых теориях твердого тела рассматривалась модель свободного электрона, согласно которой валентные электроны могут свободно двигаться по всему объему твердого тела, У этой модели были определенные достоинства, но и существенные недостатки, и среди них отсутствие удовлетворительного объяснения факта существования диэлектриков и полупроводников, свойства которых удалось объяснить лишь позднее с позиций квантовой теории. Мы начнем с краткого знакомства с природой сил связи в молекулах, а затем перейдем к твердому телу. [c.30]

Существуют три принципиальные структуры транзисторов на горячих электронах. Они отличаются в структуре эмиттера и механизме инжекции горячих электронов в металл базы. Это туннельно-эмиссионный транзистор, транзистор на эмиссии, ограниченной пространственным зарядом, и транзистор с эмиттером Шоттки. В нервом случае электроны инжектируются в металлическую базу через тонкий слой изолятора. Во втором случае горячие электроны инжектируются в диэлектрик и затем в металл базы. Поток электронов в этом случае определяется пространственным зарядом, образующимся в диэлектрике у инжектирующего контакта. В третьем случае горячие электроны инжектируются в металлическую базу выпрямляющим контактом металл — полупроводник. [c.72]

У поглощающих сред коэффициент поглощения k существенно отличается от нуля, и в формулах (XII.1) показатель преломления становится комплексным [см. формулу (1.7)]. В видимой области спектра величина k колеблется у диэлектриков и полупроводников в пределах 10 -i-l, а у металлов—14-10. Выражения для коэффициентов отражения сильно усложняются и принимают вид [c.217]

У диэлектриков концентрация электронов проводимости при комнатной температуре на много порядков ниже, чем у металлов. И хотя с температурой концентрация, а с нею и электропроводность, быстро растет, абсолютные значения последней в области умеренно высоких температур еще очень малы. Диэлектрики скорее пригодны в этих интервалах температур к роли пассивных элементов схем в отличие от полупроводников, из которых создаются активные элементы. [c.13]

Электронная проводимость связана с образованием электронов в полимерах при ионизации макромолекул, которая может быть вызвана нагреванием, радиационным или световым воздействием. Присутствие пигментов и других неорганических веществ в покрытии благоприятствует электронной проводимости. Электронная проводимость пленок кристаллических полимеров выше, чем аморфных, ионная — наоборот. Особенно высокой электронной проводимостью отличаются полимеры-полупроводники, а также композиции с углеродными и металлическими наполнителями (сажей, графитом,, порошками металлов). Изготовленные из них покрытия по электрической проводимости занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками для них уу 10 – 10″1 См/м. Электрическая проводимость большинства лакокрасочных покрытий находится на уровне электрической проводимости полимеров и составляет 10 -10 См/м. [c.132]

Не вдаваясь в подробности строения зон, подчеркнем, что полупроводники и диэлектрики отличаются от металлов тем, что валентная зона у них при Т 0° К всегда полностью заполнена электронами, а ближайитя свободная зона (зона проводимости) отделена от валентной зоной запрещенных состояний Ширина запрещенной зоны АБ у полупроводников — от десятых долей электрон-вольт до 3 эв (условно), а у диэлектриков — от 3 до 5 эв (условно) Если между полупроводниками и диэлектриками имеется 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. 71, а). [c.235]

Дискретным уровням атома в твердом теле соответствует всегда дискретная система разрешенных зон, разделенных запрещенными зонами. Если электроны образуют в атомах или моле1 Смотреть страницы где упоминается термин Отличие полупроводников от металлов и диэлектриков: [c.472] [c.472] [c.158] [c.418] [c.237] [c.237] [c.104] [c.591] Смотреть главы в:

Чем отличаются полупроводники от металлов и диэлектриков по электрическим свойствам?

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.

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.

Источники:

https://thedifference.ru/chem-poluprovodniki-otlichayutsya-ot-metallov/
https://www.chem21.info/info/1498733/
https://otvet.mail.ru/question/9102451