Poznato je da u tvari smještenoj u električnom polju, kada je izložena silama ovog polja, nastaje kretanje slobodnih elektrona ili iona u smjeru sila polja. Drugim riječima, u tvari se javlja električna struja.

Svojstvo koje određuje sposobnost supstance da provodi struja naziva se "električna provodljivost". Električna provodljivost direktno ovisi o koncentraciji nabijenih čestica: što je veća koncentracija, to je veća električna provodljivost.

Prema ovom svojstvu, sve supstance se dijele u 3 vrste:

  1. Dirigenti.
  2. Poluprovodnici.

Opis provodnika

Dirigenti imaju najveća električna provodljivost od svih vrsta supstanci. Svi provodnici su podijeljeni u dvije velike podgrupe:

  • Metali(bakar, aluminijum, srebro) i njihove legure.
  • Elektroliti (vodeni rastvor soli, kiseline).

U supstancama prve podgrupe samo su elektroni sposobni da se kreću, jer je njihova veza s jezgrama atoma slaba, pa se stoga prilično lako odvajaju od njih. Budući da je pojava struje u metalima povezana s kretanjem slobodnih elektrona, vrsta električne provodljivosti u njima se naziva elektronička.

Od vodiča prve podgrupe, koriste se u namotajima električnih mašina, dalekovoda i žica. Važno je napomenuti da na električnu provodljivost metala utiče njegova čistoća i odsustvo nečistoća.

U supstancama druge podgrupe, kada su izložene otopini, molekul se raspada na pozitivne i negativne ione. Joni se kreću zbog izloženosti električno polje. Zatim, kada struja prođe kroz elektrolit, ioni se talože na elektrodu, koja se spušta u ovaj elektrolit. Proces kada se tvar oslobađa iz elektrolita pod utjecajem električne struje naziva se elektroliza. Proces elektrolize se obično koristi, na primjer, kada se obojeni metal ekstrahira iz otopine njegovog spoja ili kada se metal prekriva zaštitnim slojem drugih metala.

Opis dielektrika

Dielektrici se također obično nazivaju električne izolacijske tvari.

Sve električne izolacijske tvari imaju sljedeću klasifikaciju:

  • U zavisnosti od stanje agregacije dielektrici mogu biti tečni, čvrsti ili gasoviti.
  • Ovisno o načinu proizvodnje - prirodni i sintetički.
  • U zavisnosti od hemijski sastav– organske i neorganske.
  • Ovisno o strukturi molekula - neutralni i polarni.

To uključuje plin (vazduh, dušik, plin SF6), mineralno ulje, bilo koju gumu i keramičke tvari. Ove supstance karakteriše sposobnost da polarizacija u električnom polju. Polarizacija je stvaranje naboja različitih znakova na površini tvari.

Dielektrici sadrže mali broj slobodnih elektrona, a elektroni imaju snažnu vezu s jezgrama atoma i samo se rijetko odvajaju od njih. To znači da ove supstance nemaju sposobnost da provode struju.

Ovo svojstvo je vrlo korisno u proizvodnji proizvoda koji se koriste za zaštitu od električne struje: dielektrične rukavice, strunjače, čizme, izolatori za električnu opremu itd.

O poluprovodnicima

Poluprovodnik se ponaša kao međusupstanca između provodnika i dielektrika. Najviše istaknutih predstavnika Ova vrsta supstanci su silicijum, germanijum, selen. Osim toga, ove supstance se obično klasifikuju kao elementi četvrte grupe periodnog sistema Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva.

Poluprovodnici imaju dodatnu provodljivost "rupa", pored elektronske provodljivosti. Ova vrsta provodljivosti zavisi od brojnih faktora okoline, uključujući svetlost, temperaturu, električna i magnetna polja.

Ove supstance sadrže slabe kovalentne veze. Kada je izložen jednom od vanjski faktori veza je uništena, nakon čega se formiraju slobodni elektroni. Štaviše, kada je elektron odvojen, u sastavu kovalentna veza ostaje slobodna “rupa”. Slobodne "rupe" privlače susjedne elektrone, pa se ova akcija može izvoditi neograničeno.

Provodljivost poluvodičkih supstanci može se povećati unošenjem raznih nečistoća u njih. Ova tehnika je široko rasprostranjena u industrijskoj elektronici: u diodama, tranzistorima, tiristorima. Razmotrimo detaljnije glavne razlike između vodiča i poluvodiča.

Koja je razlika između provodnika i poluprovodnika?

Glavna razlika između vodiča i poluvodiča je njegova sposobnost da provodi električnu struju. Za provodnik je red veličine veći.

Kada se temperatura poveća, povećava se i provodljivost poluprovodnika; Provodljivost provodnika postaje manja kako se povećava.

U čistim provodnicima u normalnim uslovima Kada struja prođe, oslobađa se mnogo veći broj elektrona nego u poluvodičima. Istovremeno, dodavanje nečistoća smanjuje provodljivost provodnika, ali povećava provodljivost poluprovodnika.

Često, početnici amateri (postoje i profesionalni električari), prilikom izvođenja elektroinstalacijskih radova, zovu žicu kabelom i obrnuto. Vrijedi uzeti u obzir da se radi o potpuno različitim proizvodima s različitim namjenama i karakteristikama. Da biste razumjeli kako se kabel razlikuje od žice, potrebno je pribjeći proučavanju GOST-ova i detaljnom razmatranju stvarnih razlika između njih.

Kablovi i njihova klasifikacija

Kabl je jedna jezgra ili grupa žila sa izolacionim slojem, koji su na određeni način utkani zajedno i zatvoreni u jednu ili više školjki. Mogu se ugraditi na fasade zgrada, u zrak na nosače (stubove), pod zemljom, pa čak i na dnu rezervoara (more).

Vanjski omotač može biti izrađen od različitih materijala: umreženog polietilena, gume, pa čak i legure metala (oklop) i drugih tvari. Ovaj opći izolacijski sloj kabela dizajniran je za zaštitu žila od mehaničkih oštećenja, udaraca okruženje i razne hemikalije.

Kablovi su podijeljeni u grupe prema primjeni. Razlikuju se sljedeće klase ovih proizvoda:

  1. Komunikacioni kabl. Takvi proizvodi su namijenjeni za alarmne sisteme (upozorenja) i žičane telekomunikacije (fiksne telefonske komunikacije);
  2. Power proizvodi. Ovaj razred je dizajniran za kretanje električna energija od izvora do krajnjeg potrošača. Obično se postavljaju trajno, formirajući različite vrste dalekovoda (PTL). Jezgra su uglavnom napravljena od aluminijuma i bakra. Odlikuje ih velika raznolikost modela i dug radni vijek - do 40 godina;
  3. Instalacija električnih kablova (kontrola). Ovi proizvodi su neophodni za međuuređajnu instalaciju električnih uređaja. Provodnici su obično napravljeni od jedinjenja bakra. Glavna prednost je visoka otpornost na rad na povišenim temperaturama;
  4. Kontrolni kabl. Ovi proizvodi se koriste za rasvjetu i upravljačka kola u složenim mehanizmima i alatnim mašinama. Maksimalni napon – 600V;
  5. Optičke i RF opcije. Ovakvi električni kablovi se koriste za prenos signala i energije u utvrđenom optičkom opsegu ili na određenim radio-frekvencijama. Primjer korištenja je internet, moderne telefonske komunikacije, lokacijska oprema.

Napomenu. Ponekad se komunikacijski kablovi, optički i radiofrekventni analogi svrstavaju u jednu veliku grupu - komunikacioni električni kablovi.

Kabelski proizvodi se također razlikuju jedni od drugih na sljedeće načine:

  • materijal izrade i svojstva izolacionog sloja (slojeva);
  • parametri zaštite;
  • tehničke karakteristike izražene elektrofizičkim veličinama;
  • materijal izrade i broj provodnih jezgri;
  • opšti poprečni presek proizvoda, prečnik jezgre itd.

Žice i njihova klasifikacija

GOST 15845-80 objašnjava šta je žica. Kabelska veza koja sadrži jednu ili grupu žica (ili niti) koji imaju lagani omotač od nemetalnih legura naziva se žica. Također, ovaj tehnički propis karakterizira žicu prema načinu ugradnje - ne može se ugraditi podzemno, to je prva razlika između kabla i žice.

Žice se klasificiraju prema nizu karakteristika i svojstava:

  • vrsta materijala i karakteristike izolacionog sloja;
  • Materijal za proizvodnju žice;
  • prečnik (presjek) proizvoda;
  • provodljivost i drugo.

Ove karakteristike unaprijed određuju opseg primjene provodnih proizvoda. Žice mogu biti:

  • automobil;
  • namotavanje;
  • izolovani i neizolovani (potonji se koriste u nadzemnim dalekovodima);
  • povezivanje;
  • instalacija i drugo.

Bitan! Više detalja o kvalitativnim i kvantitativnim karakteristikama, klasifikaciji električnih proizvoda, uključujući žice i kablove, može se naći u GOST 15845-80 i međunarodnom standardu ISO11801-2002.

Razlike između kabla i žice

By izgled Električni kablovi i žice imaju određenu sličnost, ali među njima postoje razlike koje su jasno vidljive profesionalcima.

Izolacijski sloj jezgre

Glavna razlika između proizvoda koji se razmatraju je prisutnost u kabelu zasebnog izolacijskog sloja za svaki vodič. Dok žica ili upredak vodiča ima zajednički omotač ili ga uopće nema. Ova razlika je opisana u GOST 15845-80.

Dakle, ako svaki pojedinačni vodič ima svoju izolaciju, onda se proizvod naziva kablom. A kada nema izolacije, ili je određeni broj golih provodničkih elemenata (žica) zatvoren u zajedničku izolaciju, tada se proizvod naziva žica.

Označavanje proizvoda

Također možete razlikovati kabelske proizvode od običnih žica ispravno čitanje notacija. Svaki električni proizvod ima svoju oznaku koja je izražena abecednim, numeričkim simbolima i bojom.

Označavanje vodiča može reći ne samo kojoj vrsti pripadaju, već i o materijalu proizvodnje izolacijskog omotača i jezgre, broju i promjeru žila, opsegu primjene i drugim informacijama.

Na primjer, ako proizvod ima oznaku AVVGng 3x2.5, onda se dešifrira na sljedeći način:

  • A – aluminijumsko jezgro;
  • B – izolacioni sloj jezgara od PVC materijala (polivinilhlorid);
  • B – opšta izolaciona školjka je takođe izrađena od PVC-a;
  • G – bez oklopa;
  • ng – proizvod ne podržava sagorevanje;
  • 3x2,5 – tri jezgre poprečnog presjeka 2,5 mm2.

Iz dekodiranja je jasno da svaka jezgra ima svoju izolaciju i zajednički omotač, odnosno ovaj proizvod je kabel. Prisustvo simbola “E” u oznaci znači da kabl ima ekran, P – zaštitu od gumenog materijala, B – oklop od sagorevanja i agresivnog okruženja, Š – zaštitni omotač kabla je predstavljen u obliku crevo i tako dalje.

Označavanje žica razlikuje se od kablova samo po različitom značenju nekih simbola. Na primjer, ako osoba ispred sebe ima proizvod marke PuGV, onda je to instalacijska žica koja ima izolaciju od PVC materijala i karakteriziraju je povećane karakteristike fleksibilnosti.

Bitan! Zbog ogromnog broja raznih kombinacija simbola u označavanju električnih kablovskih proizvoda, ponekad može biti teško čitati. U takvim slučajevima preporučuje se pribjegavanje pomoći posebnim referentnim knjigama ili resursima na Internetu.

Pravila korištenja

Kabl je našao širu upotrebu u posebnim uslovima, za razliku od žice, jer ima pojačanu zaštitu od raznih oštećenja. Sve podzemne i podvodne komunikacije provodi samo on. Takođe se polažu u požarno opasnim objektima, rudnicima, prostorijama sa visokom korozivnom aktivnošću i dr.

Žice se, zbog niže zaštite, koriste uglavnom unutar električnih uređaja, električnih razvodnika, te kao stambene instalacije, a izvan njih se preporučuje korištenje provodnih sabirnica ili kablova.

Zanimljivo je znati. Kablovski proizvodi imaju duži vijek trajanja i veću propusnost (veća jačina struje i napona) zbog višeslojne izolacije, moguće prisutnosti ekrana i slojeva oklopa.

Izuzetno je važno razlikovati kablove od žica, jer je njihova nepravilna upotreba nesigurna. Poznavajući gore opisane koncepte i razlike između kablovskih i provodničkih proizvoda, pitanje "je li to žica ili kabel" definitivno se neće pojaviti.

Video

Dirigenti- tvari koje provode električnu struju zbog prisustva velika količina naelektrisanja koja se mogu slobodno kretati (za razliku od izolatora). One su I (prve) i II (druge) vrste. Električnu provodljivost vodiča tipa I ne prate hemijski procesi, već je uzrokovana elektronima. Provodnici tipa I uključuju: čisti metali, odnosno metali bez nečistoća, legure, neke soli, oksidi i broj organska materija. Na elektrodama napravljenim od vodiča tipa I odvija se proces prijenosa metalnog kationa u otopinu ili iz otopine na površinu metala. Provodnici tipa II uključuju elektrolite. Prolazak struje u njima povezan je s kemijskim procesima i uzrokovan je kretanjem pozitivnih i negativnih jona.

Elektrode prve vrste. U slučaju metalnih elektroda prve vrste, takvi ioni će biti metalni kationi, a u slučaju metaloidnih elektroda prve vrste metaloidni anioni. Srebrna elektroda prve vrste Ag + /Ag. Na to se odgovara reakcijom Ag + + e-= Ag i potencijal elektrode

E Ag + /Ag = Ag + / Ag+ b 0 lg a Ag+.

Nakon zamjene brojčanih vrijednosti E 0 i b 0 na 25 o C:

Primjer metaloidnih elektroda prve vrste je selenska elektroda Se 2- /Se, Se + 2 e-= Se 2 ; na 25oC E Se 2- /Se 0 = -0,92 - 0,03lg a Se 2- .

Elektrode druge vrste- polućelije koje se sastoje od metala obloženog slojem teško rastvorljivog jedinjenja (soli, oksida ili hidroksida) i uronjene u rastvor koji sadrži isti anion kao i slabo rastvorljivo jedinjenje metala elektrode. Šematski se elektroda druge vrste može predstaviti na sljedeći način: A Z-/M.A., M, a reakcija koja se u njemu odvija je MA + ze = M + A Z - .

Otuda jednačina za potencijal elektrodeće:

Kalomel elektrode je živa obložena kalomel pastom i u kontaktu sa rastvorom KCl.

Cl - / Hg 2 Cl 2 , Hg.

Reakcija elektrode se svodi na redukciju kalomela u metalnu živu i klor anion:

Potencijal kalomelne elektrode je reverzibilan u odnosu na jone hlora i određen je njihovom aktivnošću:

Na 25 o C, potencijal kalomelne elektrode nalazi se pomoću jednadžbe:

Elektrode sa živinim sulfatom SO 4 2 - /Hg 2 SO 4, Hg su slični kalomelu sa jedinom razlikom što je živa ovde prekrivena slojem paste od Hg i živinog sulfata, a kao rastvor se koristi H 2 SO 4. Potencijal elektrode živinog sulfata na 25 o C izražava se jednadžbom:

Srebrna hloridna elektroda je sistem Cl - /AgCl, Ag, a njegov potencijal odgovara jednadžbi:

E Cl - /AgCl, Ag = E 0 Cl - /AgCl, Ag - b lg a Cl-

ili na 25 o C:

E Cl - /AgCl, Ag = 0,2224 - 0,0592 lg a Cl - .

U elektrotehnici se koriste različiti materijali. Električna svojstva tvari su određene brojem elektrona u vanjskoj valentnoj orbiti. Što je manje elektrona u ovoj orbiti, što su slabije vezani za jezgro, lakše mogu putovati.

Pod uticajem temperaturnih fluktuacija, elektroni se odvajaju od atoma i kreću se u međuatomskom prostoru. Takvi elektroni nazivaju se slobodnim i stvaraju električnu struju u provodnicima. Da li je međuatomski prostor velik, ima li prostora da slobodni elektroni putuju unutar supstance?

Struktura čvrstih materija i tečnosti izgleda neprekidna i gusta, po strukturi podseća na klupko konca. Ali u stvari čak čvrste materije više kao mreža za pecanje ili odbojku. Naravno, to se ne može vidjeti na svakodnevnom nivou, ali je tačno naučno istraživanje Utvrđeno je da su udaljenosti između elektrona i jezgara atoma mnogo veće od njihovih vlastitih veličina.

Ako se veličina jezgra atoma predstavi kao lopta veličine nogometne lopte, tada će elektroni u takvom modelu biti veličine zrna graška, a svaki takav grašak nalazi se od "jezgra" na udaljenosti od nekoliko stotina ili čak hiljada metara. A između jezgra i elektrona postoji praznina - jednostavno nema ničega! Ako zamislimo udaljenosti između atoma tvari na istoj skali, dimenzije će biti apsolutno fantastične - desetine i stotine kilometara!

Dobri provodnici struje su metali. Na primjer, atomi zlata i srebra imaju samo jedan elektron u svojoj vanjskoj orbiti, tako da su najbolji provodnici. Gvožđe takođe provodi struju, ali nešto lošije.

Oni još gore provode struju legure visoke otpornosti. To su nihrom, manganin, konstantan, fechral i drugi. Takva raznolikost legura visoke otpornosti je zbog činjenice da su dizajnirane za rješavanje razne zadatke: grijaći elementi, mjerači naprezanja, standardni otpornici za mjerne instrumente i još mnogo toga.

Da bi se procijenila sposobnost materijala da provodi električnu energiju, uveden je koncept "električna provodljivost". Obrnuto značenje - otpornost. U mehanici, ovi koncepti odgovaraju specifičnoj težini.

Izolatori, za razliku od provodnika, nemaju tendenciju da gube elektrone. Kod njih je veza između elektrona i jezgra vrlo jaka, a slobodnih elektrona gotovo da i nema. Tačnije, ima, ali vrlo malo. Istovremeno, u nekim izolatorima ih ima više, a kvalitet izolacije im je shodno tome lošiji. Dovoljno je uporediti, na primjer, keramiku i papir. Stoga se izolatori mogu podijeliti na dobre i loše.

Pojava slobodnih naboja čak i u izolatorima je posljedica termičkih vibracija elektrona: pod utjecajem visokih temperatura pogoršavaju se izolacijska svojstva; neki elektroni i dalje uspijevaju da se odvoje od jezgra.

Slično, otpornost idealnog provodnika bila bi nula. Ali, srećom, ne postoji takav vodič: zamislite kako bi izgledao Ohmov zakon ((I = U/R) sa nulom u nazivniku!!! Zbogom matematika i elektrotehnika.

I tek na temperaturi od apsolutne nule (-273,2C°) termičke fluktuacije potpuno prestaju, a najgori izolator postaje sasvim dobar. Kako bi se brojčano utvrdilo da je "ovo" loše ili dobro, koriste koncept otpornosti. Ovo je otpor u Ohmima kocke sa dužinom ivice od 1 cm, dimenzija otpornosti se dobija u Ohmima/cm. Otpornost nekih supstanci je prikazana u nastavku. Provodljivost je recipročna otpornost, - Siemensova mjerna jedinica, - 1Sm = 1 / Ohm.

Dobru provodljivost ili nisku otpornost imaju: srebro 1,5*10^(-6), čita se kao (jedan i po do deset na stepen minus šest), bakar 1,78*10^(-6), aluminijum 2,8* 10^(- 6). Provodljivost legura visoke otpornosti je mnogo lošija: konstantan 0,5*10^(-4), nihrom 1,1*10^(-4). Ove legure se mogu nazvati lošim provodnicima. Nakon svih ovih kompleksnih brojeva, trebali biste zamijeniti Ohm/cm.

Sljedeći u odvojena grupa mogu se razlikovati poluprovodnici: germanijum 60 Ohm/cm, silicijum 5000 Ohm/cm, selen 100,000 Ohm/cm. Otpornost ove grupe je veća od otpornosti loših provodnika, ali manja od otpornosti loših izolatora, da ne spominjemo dobre. Vjerovatno bi se s istim uspjehom i poluvodiči mogli nazvati poluizolatorima.

Nakon ovako kratkog upoznavanja sa strukturom i svojstvima atoma, treba razmotriti kako atomi međusobno djeluju, kako atomi međusobno djeluju i kako se iz njih dobivaju molekule od kojih se sastoje različite tvari. Da bismo to učinili, opet ćemo se morati sjetiti elektrona u vanjskoj orbiti atoma. Uostalom, oni su ti koji sudjeluju u povezivanju atoma u molekule i određuju fizičke i Hemijska svojstva supstance.

Kako se molekuli prave od atoma

Svaki atom je u stabilnom stanju ako se u njegovoj vanjskoj orbiti nalazi 8 elektrona. Ne nastoji da uzme elektrone od susjednih atoma, ali se ne odriče svojih. Da biste provjerili valjanost ovoga, dovoljno je pogledati inertne plinove u periodnom sistemu: neon, argon, kripton, ksenon. Svaki od njih ima 8 elektrona u vanjskoj orbiti, što objašnjava nevoljnost ovih plinova da uđu u bilo kakve odnose ( hemijske reakcije) sa drugim atomima grade molekule hemijskih supstanci.

Situacija je potpuno drugačija za one atome koji nemaju željenih 8 elektrona u svojoj vanjskoj orbiti. Takvi atomi radije se ujedinjuju s drugima kako bi dopunili svoju vanjsku orbitu sa do 8 elektrona i postigli mirno, stabilno stanje.

Na primjer, evo dobro poznate molekule vode H2O. Sastoji se od dva atoma vodika i jednog atoma kiseonika, kao što je prikazano na slici 1.

Slika 1

Na vrhu slike dva atoma vodika i jedan atom kisika prikazani su odvojeno. Postoji 6 elektrona u vanjskoj orbiti kisika i dva elektrona u dva atoma vodika u blizini. Kiseoniku nedostaju samo dva elektrona u svojoj spoljnoj orbiti da bi dostigao željeni broj 8, koji će dobiti tako što će pričvrstiti dva atoma vodika na sebe.

Svakom atomu vodika nedostaje 7 elektrona u svojoj vanjskoj orbiti da bi bio potpuno sretan. Prvi atom vodika prima 6 elektrona iz kisika u svoju vanjsku orbitu i još jedan elektron iz svog blizanca, drugi atom vodika. Sada ima 8 elektrona u njegovoj vanjskoj orbiti zajedno sa svojim elektronom. Drugi atom vodonika također završava svoju vanjsku orbitu do željenog broja 8. Ovaj proces je prikazan u donjem dijelu slike 1.

Slika 2 prikazuje proces kombinovanja atoma natrijuma i hlora. Rezultat je natrijum hlorid, koji se u prodavnicama prodaje pod nazivom kuhinjska so.

Slika 2. Proces spajanja atoma natrijuma i hlora

I ovdje svaki od sudionika prima od drugoga nedostajući broj elektrona: hlor dodaje jedan elektron natrijuma na svojih sedam elektrona, dok svoj daje atomu natrijuma. Oba atoma imaju 8 elektrona u vanjskoj orbiti, što osigurava potpuni dogovor i dobrobit.

Valencija atoma

Atomi koji imaju 6 ili 7 elektrona u svojoj vanjskoj orbiti teže ka sebi 1 ili 2 elektrona. Za takve atome se kaže da su jednovalentni ili dvovalentni. Ali ako u vanjskoj orbiti atoma ima 1, 2 ili 3 elektrona, onda ih takav atom teži da ih oda. U ovom slučaju, atom se smatra jedno-, dvo- ili trovalentnim.

Ako vanjska orbita atoma sadrži 4 elektrona, onda se takav atom radije ujedinjuje s istim, koji također ima 4 elektrona. Ovako se atomi germanija i silicijuma kombinuju da bi se napravili tranzistori. U ovom slučaju, atomi se nazivaju četverovalentni. (Atomi germanija ili silicija mogu se kombinovati i sa drugim elementima, kao što su kiseonik ili vodonik, ali ta jedinjenja nisu zanimljiva za našu priču.)

Slika 3 prikazuje atom germanija ili silicijuma koji se želi spojiti sa sličnim atomom. Mali crni krugovi su vlastiti elektroni atoma, a svijetli krugovi označavaju mjesta na koja će pasti elektroni četiri susjedna atoma.

Slika 3. atom germanijuma (silicijum).

Kristalna struktura poluprovodnika

Atomi germanija i silicijuma su u istoj grupi kao i ugljenik u periodnom sistemu ( hemijska formula C dijamanti su jednostavno veliki kristali ugljika dobijeni pod određenim uslovima) i stoga, kada se kombinuju, formiraju dijamantski kristalna struktura. Formiranje takve strukture prikazano je, naravno, u pojednostavljenom obliku, na slici 4.

Slika 4.

U središtu kocke je atom germanija, a u uglovima se nalaze još 4 atoma. Atom prikazan u centru kocke povezan je sa svojim valentnim elektronima sa svojim najbližim susjedima. Zauzvrat, kutni atomi predaju svoje valentne elektrone atomu koji se nalazi u središtu kocke i njegovim susjedima - atomima koji nisu prikazani na slici. Dakle, vanjske orbite su završene do osam elektrona. Naravno, u kristalnoj rešetki nema kocke, ona je jednostavno prikazana na slici tako da je jasan relativni, volumetrijski raspored atoma.

Ali kako bi se priča o poluvodičima što više pojednostavila, kristalna rešetka se može prikazati kao ravna šematski crtež, uprkos činjenici da se međuatomske veze još uvijek nalaze u svemiru. Takav dijagram je prikazan na slici 5.

Slika 5. Kristalna rešetka germanija u ravnom obliku.

U takvom kristalu svi su elektroni čvrsto vezani za atome svojim valentnim vezama, tako da ovdje očigledno jednostavno nema slobodnih elektrona. Ispostavilo se da je ono što vidimo na slici izolator, jer u njemu nema slobodnih elektrona. Ali zapravo nije.

Samoprovodljivost

Činjenica je da pod utjecajem temperature neki elektroni ipak uspijevaju da se odvoje od svojih atoma i neko vrijeme se oslobode veze s jezgrom. Stoga u kristalu germanija postoji mali broj slobodnih elektrona, zbog čega je moguće provesti električnu struju. Koliko slobodnih elektrona postoji u kristalu germanijuma u normalnim uslovima?

Ne postoje samo dva takva slobodna elektrona na 10^10 (deset milijardi) atoma, tako da je germanijum loš provodnik, ili, kako kažu, poluprovodnik. Treba napomenuti da samo jedan gram germanijuma sadrži 10^22 (deset hiljada milijardi milijardi) atoma, što vam omogućava da „dobijete“ oko dve hiljade milijardi slobodnih elektrona. Čini se da je dovoljno da prođe veliku električnu struju. Da biste razumjeli ovo pitanje, dovoljno je zapamtiti što je struja od 1 A.

Struja od 1 A odgovara prolasku kroz provodnik u jednoj sekundi. električni naboj u 1 Kulonu, ili 6*10^18 (šest milijardi milijardi) elektrona u sekundi. Na ovoj pozadini, dvije hiljade milijardi slobodnih elektrona, pa čak i rasutih po ogromnom kristalu, teško mogu osigurati prolaz velikih struja. Iako, zbog termičkog kretanja, u germaniju postoji mala provodljivost. Ovo je takozvana intrinzična provodljivost.

Elektronska i provodljivost rupa

Kako temperatura raste, elektronima se prenosi dodatna energija, njihove termalne vibracije postaju energičnije, zbog čega neki elektroni uspijevaju da se odvoje od svojih atoma. Ovi elektroni postaju slobodni i, u nedostatku vanjskog električnog polja, izvode haotične pokrete i kreću se u slobodnom prostoru.

Atomi koji su izgubili elektrone ne mogu izvoditi nasumične pokrete, već samo lagano osciliraju u odnosu na njihov normalan položaj u kristalnoj rešetki. Takvi atomi koji su izgubili elektrone nazivaju se pozitivni ioni. Možemo pretpostaviti da se umjesto elektrona istrgnutih iz svojih atoma dobijaju slobodni prostori, koji se obično nazivaju rupama.

Općenito, broj elektrona i rupa je isti, tako da rupa može zgrabiti elektron koji se slučajno nalazi u blizini. Kao rezultat, atom se ponovo mijenja iz pozitivnog jona u neutralan. Proces spajanja elektrona s rupama naziva se rekombinacija.

Odvajanje elektrona od atoma odvija se istom frekvencijom, stoga je u prosjeku broj elektrona i rupa za određeni poluvodič jednak, konstantna je vrijednost i ovisi o vanjskim uvjetima, prvenstveno o temperaturi.

Ako se na poluvodički kristal primijeni napon, kretanje elektrona će postati uređeno, a struja će teći kroz kristal zbog njegove provodljivosti elektrona i rupa. Ova provodljivost se zove intrinzična provodljivost, već je spomenuta malo više.

Ali poluvodiči u svom čistom obliku, koji imaju elektronsku i vodljivost rupa, nisu prikladni za proizvodnju dioda, tranzistora i drugih dijelova, jer je osnova ovih uređaja p-n (čitaj "pe-en") spoj.

Za postizanje takvog prijelaza potrebne su dvije vrste poluvodiča, dvije vrste provodljivosti (p - pozitivna - pozitivna, rupa) i (n - negativna - negativna, elektronska). Ove vrste poluprovodnika se prave dopiranjem, dodavanjem nečistoća čistim germanijumskim ili silicijumskim kristalima.

Iako je količina nečistoća vrlo mala, njihovo prisustvo u u velikoj mjeri mijenja svojstva poluvodiča, omogućava vam da dobijete poluvodiče različite vodljivosti. O tome će biti riječi u sljedećem dijelu članka.

Boris Aladyshkin,

Šta je poluprovodnik i sa čime se jede?

Semiconductor- materijal bez kojeg ne možemo zamisliti savremeni svet tehnologije i elektronike. Poluprovodnici pokazuju svojstva metala i nemetala pod određenim uslovima. Prema specifičnoj vrijednosti električni otpor poluprovodnici zauzimaju srednju poziciju između dobrih provodnika i dielektrika. Semiconductor razlikuje se od provodnika po jakoj ovisnosti specifične vodljivosti o prisutnosti elemenata nečistoća (impurity elements) u kristalnoj rešetki i koncentraciji tih elemenata, kao i o temperaturi i izloženosti različitim vrstama zračenja.
Osnovno svojstvo poluprovodnika- povećanje električne provodljivosti sa povećanjem temperature.
Poluprovodnici su supstance čiji je pojas u opsegu veličine nekoliko elektron volti (eV). Na primjer, dijamant se može klasificirati kao poluvodič širokog razmaka, a indijum arsenid se može klasificirati kao poluvodič uskog razmaka. Pojasni razmak je širina energetskog jaza između dna vodljivog pojasa i vrha valentnog pojasa, u kojem nema dozvoljenih stanja za elektron.
Veličina pojasnog razmaka je važna pri generiranju svjetlosti u LED diodama i poluvodičkim laserima i određuje energiju emitiranih fotona.

Poluprovodnici uključuju mnoge hemijski elementi: Si silicijum, Ge germanijum, As arsen, Se selen, Te telur i drugi, kao i sve vrste legura i hemijska jedinjenja, na primjer: silicijum jodid, galijum arsenid, živin telurit, itd.). Generalno, skoro sve neorganske supstance svet oko nas su poluprovodnici. Najčešći poluprovodnik u prirodi je silicijum, koji, prema grubim procenama, čini skoro 30% zemljine kore.

Ovisno o tome da li atom elementa nečistoće odustaje od elektrona ili ga hvata, atomi nečistoće nazivaju se atomi donora ili akceptora. Donorska i akceptorska svojstva atoma nečistoće također zavise od toga koji atom kristalna rešetka zamjenjuje kristalografsku ravan u koju je ugrađen.
Kao što je već spomenuto, vodljiva svojstva poluvodiča jako zavise od temperature, a kada temperatura dostigne apsolutnu nulu (-273 °C), poluvodiči imaju svojstva dielektrika.

Na osnovu vrste provodljivosti, poluvodiči se dijele na n-tip i p-tip

poluvodič n-tipa

Na osnovu vrste provodljivosti, poluvodiči se dijele na n-tip i p-tip.

Poluvodič n-tipa ima prirodu nečistoća i provodi električnu struju poput metala. Elementi nečistoća koji se dodaju poluvodičima za proizvodnju poluvodiča n-tipa nazivaju se donor elementi. Termin "n-tip" dolazi od riječi "negativan", koja se odnosi na negativni naboj koji nosi slobodni elektron.

Teorija procesa prijenosa naboja je opisana kako slijedi:

Element nečistoće, petovalentni As arsen, dodaje se četvorovalentnom Si silicijumu. Tokom interakcije, svaki atom arsena ulazi u kovalentnu vezu sa atomima silicijuma. Ali ostaje peti slobodni atom arsena, kojem nema mjesta u zasićenim valentnim vezama, i on se kreće u udaljenu elektronsku orbitu, gdje je potrebno manje energije za uklanjanje elektrona iz atoma. Elektron se odvaja i postaje slobodan, sposoban da nosi naboj. Dakle, prijenos naboja vrši elektron, a ne rupa, odnosno ovaj tip poluvodiča provodi električnu struju poput metala.
Antimon Sb takođe poboljšava svojstva jednog od najvažnijih poluprovodnika - germanijum Ge.

poluvodič p-tipa

Poluprovodnik p-tipa, pored baze nečistoća, karakteriše i priroda provodljivosti rupa. Nečistoće koje se dodaju u ovom slučaju nazivaju se akceptorske nečistoće.
"p-tip" dolazi od riječi "pozitivan", što se odnosi na pozitivni naboj većinskih nosilaca.
Na primjer, mala količina trovalentnih atoma indija se dodaje u poluvodički, tetravalentni Si silicijum. U našem slučaju, indijum će biti element nečistoće, čiji atomi uspostavljaju kovalentnu vezu sa tri susedna atoma silicijuma. Ali silicijum ima jednu slobodnu vezu dok atom indija nema valentni elektron, pa hvata valentni elektron iz kovalentne veze između susjednih atoma silicija i postaje negativno nabijen ion, formirajući takozvanu rupu i, shodno tome, rupu tranzicija.
Prema istoj šemi, In ndijum Ge germanijumu daje provodljivost rupa.

Istražujući svojstva poluprovodničkih elemenata i materijala, proučavajući svojstva kontakta provodnika i poluprovodnika, eksperimentišući u proizvodnji poluprovodničkih materijala, O.V. Losev je stvorio prototip modernog LED-a 1920-ih.