Rozdiel medzi vodičom, polovodičom a izolantom

Schopnosť materiálu viesť elektrický prúd závisí od jeho vnútornej štruktúry a správania elektrónov. Na základe tejto schopnosti delíme materiály na vodiče, polovodiče a izolanty. Hlavný rozdiel medzi nimi spočíva v počte voľných nosičov náboja a vo veľkosti tzv. zakázaného pásma.

Energetické pásma v materiáloch

Elektróny v pevnej látke sa môžu nachádzať iba v určitých energetických pásmach:

• Valenčné pásmo – elektróny sú viazané na atómy
• Vodivostné pásmo – elektróny sa môžu voľne pohybovať a viesť prúd

Medzi nimi sa nachádza zakázané pásmo EgE_gEg​, ktoré predstavuje energetickú bariéru:

kde:

• je energia vodivostného pásma
• je energia valenčného pásma

Veľkosť ​ určuje elektrické vlastnosti materiálu.

Vodič

Vodiče majú veľmi veľké množstvo voľných elektrónov. Valenčné a vodivostné pásmo sa prekrývajú alebo je medzi nimi zanedbateľná medzera:

To znamená, že elektróny sa môžu voľne pohybovať už bez dodania dodatočnej energie.

Počet nosičov náboja je vysoký:

Príklady vodičov:

• meď (Cu)
• hliník (Al)
• striebro (Ag)

Vodiče sa používajú na prenos elektrickej energie, napríklad v elektrických kábloch.

Izolant

Izolanty majú veľké zakázané pásmo:

Elektróny nemajú dostatok energie na prechod do vodivostného pásma, preto sa nemôžu voľne pohybovať.

Počet voľných nosičov náboja je veľmi malý:

Príklady izolantov:

• plast
• sklo
• guma
• keramika

Izolanty sa používajú na ochranu pred elektrickým prúdom.

Polovodič

Polovodiče majú malé zakázané pásmo:

Pri dodaní energie (napr. teplom alebo svetlom) môže elektrón prejsť do vodivostného pásma. Pri tomto procese vznikne:

• voľný elektrón
• diera (kladný nosič náboja)

Koncentrácia nosičov náboja závisí od teploty:

kde:

• je Boltzmannova konštanta
• je teplota

Príklady polovodičov:

• kremík (Si)
• germánium (Ge)

Polovodiče sú základom modernej elektroniky, napríklad tranzistorov a integrovaných obvodov.

Zhrnutie

Hlavný rozdiel medzi vodičom, polovodičom a izolantom je v tom, ako ľahko sa môžu elektróny pohybovať.

• Vodič: elektróny sa pohybujú voľne
• Polovodič: elektróny sa môžu pohybovať po dodaní energie
• Izolant: elektróny sa prakticky nepohybujú

Veľkosť zakázaného pásma určuje, či materiál bude dobrý vodič, polovodič alebo izolant.