ИЗОЛЯТОРЫ, ПРОВОДНИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКИ

Изоляторы - это материалы, препятствующие потоку тепла (тепловые изоляторы) или электрическому току (электрические изоляторы). Противоположностью электрических изоляторов являются проводники и полупроводники, которые позволяют протекать току (полупроводник можно также назвать изолятором, т.к. он предотвращает поток электрического тока при низких температурах, если только он не легирован атомами, которые высвобождают дополнительные заряды для переноса электрического тока).

Для электроники и электротехники материалы классифицируются в соответствии с их электрическим сопротивлением, которое описывает, как легко они пропускают электрический ток при приложении напряжения. Помимо проводников, материалы классифицируются как изоляторы (очень плохие проводники), полупроводники (материалы, чью способность управлять электричеством, можно контролировать), сверхпроводники, которые не обладают значительным электрическим сопротивлением.

Все проводники содержат подвижные электрические заряды, которые будут двигаться, когда электрическая разность потенциалов (измеряемая в вольтах) приложена к отдельным точкам на проводе. Этот поток заряда (измеряемый в амперах) понимается под действием электрического тока. В большинстве материалов величина тока пропорциональна напряжению (закон Ома) при условии, что температура остается постоянной, а материал остается в той же форме и состоянии.

Большинство известных проводников являются металлическими. Медь является наиболее распространенным материалом для электропроводки и золотом для высококачественных контактов поверхности с поверхностью. Однако имеется также множество неметаллических проводников, включая графит, растворы солей и всю плазму.

Непроводящие материалы не имеют подвижных зарядов и, таким образом, сопротивляются потоку электрического тока, выделяя тепло. Фактически, все материалы оказывают определенное сопротивление и нагреваются при протекании тока. Таким образом, правильная конструкция проводника учитывает температуру, которую проводник должен выдерживать без повреждений, а также величину электрического тока. Движение зарядов также создает электромагнитное поле вокруг проводника, которое оказывает механическое радиальное сжатие на проводнике. Поскольку все проводники имеют некоторое сопротивление, и все изоляторы будут нести некоторый ток, нет принципиального различия между проводниками и изоляторами. Однако существует большой разрыв между проводимостью материалов, которые будут проводить полезный ток при рабочих напряжениях, и материалами, которые будут пропускать незначительный ток для данной цели, поэтому категории изолятора и проводника имеют практическое применение.

Полупроводник - это твердый материал, который имеет электрическую проводимость между проводником и изолятором; он может изменяться в широком диапазоне постоянно или динамически. Полупроводники чрезвычайно важны в технике. Полупроводниковые приборы, электронные компоненты из полупроводниковых материалов необходимы в современных электрических устройствах. Кремний используется для создания большинства полупроводников в промышленных масштабах, но также используются десятки других материалов.

Полупроводники очень похожи на изоляторы. Две категории твердых тел отличаются тем, что изоляторы имеют большие запрещенные зоны - энергию, которую электроны должны приобретать, чтобы свободно перемещаться от атома к атому. В полупроводниках при комнатной температуре, как и в изоляторах, очень мало электронов набирают достаточную тепловую энергию для того, чтобы перескочить зазор между валентной зоной и зоной проводимости, что необходимо для того, чтобы электроны были доступны для проведения электрического тока. По этой причине чистые полупроводники и изоляторы в отсутствие приложенных электрических полей имеют примерно одинаковое сопротивление. Однако меньшие запрещенные зоны полупроводников позволяют использовать другие средства, кроме температуры, для контроля их электрических свойств.

Сопротивление полупроводников обычно динамически модифицируется путем применения электрических полей. Способность динамически контролировать сопротивление/проводимость в областях полупроводникового материала посредством приложения электрических полей - это особенность, которая делает полупроводники полезными. Это привело к разработке широкого спектра полупроводниковых приборов, таких как транзисторы и диоды. Полупроводниковые устройства с динамически контролируемой проводимостью, такие как транзисторы, являются строительными блоками таких интегральных схем, как микропроцессор. Эти «активные» полупроводниковые приборы (транзисторы) объединены с пассивными компонентами, выполненными из полупроводникового материала, таких как конденсаторы и резисторы, для создания полных электронных схем.

В большинстве полупроводников, когда электроны теряют достаточную энергию для падения из зоны проводимости в валентную зону (уровни энергии выше и ниже запрещенной зоны), они часто излучают свет, квант энергии в видимом электромагнитном спектре. Этот фотоэмиссионный процесс лежит в основе светоизлучающего диода (LED) и полупроводникового лазера, оба из которых очень важны для коммерческого использования. И наоборот, полупроводниковое поглощение света в фотодетекторах возбуждает электроны для перехода от валентной зоны к зоне большей проводимости энергии, что облегчает обнаружение света. Это полезно для волоконно-оптической связи и обеспечивает основу для энергии от солнечных элементов.

Полупроводники могут представлять собой элементарные материалы, такие как кремний и германий, или составные полупроводники, такие как арсенид галлия и фосфид индия, или сплавы, такие как кремний-германий или арсенид алюминия-галлия.

Список литературы:

1. Дмитриева В.Ф. Физика: Учебное пособие для техникумов./Под ред. В.Л. Прокофьева, – 4-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2001. – 510 с.
2. Ремизов А.Н. Курс физики: Учебник для ВУЗов / А.Н. Ремизов, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2002. – 720 с.
3. Синдеев Ю.Г., Грановский В.Г. Электротехника. Учебник для студентов педагогических и технических вузов. Ростов-на-Дону: «Феникс», 1999. - 448 с.