Różnica między przewodnikiem, półprzewodnikiem i izolatorem

Zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego zależy od jego struktury wewnętrznej i zachowania elektronów. Na podstawie tej zdolności klasyfikujemy materiały jakoprzewodniki, półprzewodniki i izolatory. Główna różnica między nimi polega na liczbie swobodnych nośników ładunku i wielkości tzw.przerwy energetycznej.

Pasma energetyczne w materiałach

Elektrony w materiale stałym mogą istnieć tylko w określonych pasmach energetycznych:

• Pasmo walencyjne – elektrony są związane z atomami
• Pasmo przewodnictwa – elektrony mogą swobodnie poruszać się i przewodzić prąd

Między nimi znajduje się przerwa energetyczna E_gEg​, która stanowi barierę energetyczną:

gdzie:

• jest energią pasma przewodnictwa
• jest energią pasma walencyjnego

Wielkość ​ determinuje właściwości elektryczne materiału.

Przewodnik

Przewodniki mają bardzo dużą liczbę swobodnych elektronów. Pasma walencyjne i przewodnictwa zachodzą na siebie lub mają znikomą przerwę między nimi:

Oznacza to, że elektrony mogą poruszać się swobodnie bez konieczności dostarczania dodatkowej energii.

Liczba nośników ładunku jest wysoka:

Przykłady przewodników:

• miedź (Cu)
• aluminium (Al)
• srebro (Ag)

Przewodniki są używane do przesyłania energii elektrycznej, na przykład w przewodach elektrycznych.

Izolator

Izolatory mają dużą przerwę energetyczną:

Elektrony nie mają wystarczającej energii do przejścia do pasma przewodnictwa, dlatego nie mogą poruszać się swobodnie.

Liczba swobodnych nośników ładunku jest bardzo mała:

Przykłady izolatorów:

• plastik
• szkło
• guma
• ceramika

Izolatory są stosowane do ochrony przed prądem elektrycznym.

Półprzewodnik

Półprzewodniki mają niewielką przerwę energetyczną:

Gdy dostarczana jest energia (np. ciepło lub światło), elektron może przemieścić się do pasma przewodnictwa. Ten proces powoduje:

• swobodny elektron
• dziurę (nośnik ładunku o ładunku dodatnim)

Stężenie nośników ładunku zależy od temperatury:

gdzie:

• jest stałą Boltzmanna
• jest temperaturą

Przykłady półprzewodników:

• krzem (Si)
• german (Ge)

Półprzewodniki stanowią podstawę nowoczesnej elektroniki, takiej jak tranzystory i układy scalone.

Podsumowanie

Główna różnica między przewodnikiem, półprzewodnikiem i izolatorem polega na łatwości, z jaką elektrony mogą się poruszać.

• Przewodnik: elektrony poruszają się swobodnie
• Półprzewodnik: elektrony mogą poruszać się po dostarczeniu energii
• Izolator: elektrony praktycznie się nie poruszają

Wielkość przerwy energetycznej determinuje czy materiał będzie dobrym przewodnikiem, półprzewodnikiem czy izolatorem.