Diketahui bahwa dalam suatu zat yang ditempatkan dalam medan listrik, bila terkena gaya-gaya medan tersebut, terbentuklah pergerakan elektron atau ion bebas searah dengan gaya-gaya medan tersebut. Dengan kata lain, arus listrik terjadi pada zat tersebut.

Suatu sifat yang menentukan kemampuan suatu zat untuk melakukan listrik disebut "konduktivitas listrik". Konduktivitas listrik berbanding lurus dengan konsentrasi partikel bermuatan: semakin tinggi konsentrasinya, semakin besar konduktivitas listriknya.

Menurut sifat ini, semua zat dibagi menjadi 3 jenis:

  1. Konduktor.
  2. Semikonduktor.

Deskripsi konduktor

Konduktor punya konduktivitas listrik tertinggi dari semua jenis zat. Semua konduktor dibagi menjadi dua subkelompok besar:

  • Logam(tembaga, aluminium, perak) dan paduannya.
  • Elektrolit (larutan air garam, asam).

Dalam zat subkelompok pertama, hanya elektron yang mampu bergerak, karena hubungannya dengan inti atom lemah, sehingga mudah terlepas darinya. Karena terjadinya arus pada logam dikaitkan dengan pergerakan elektron bebas, jenis konduktivitas listrik di dalamnya disebut elektronik.

Dari konduktor subkelompok pertama, mereka digunakan dalam belitan mesin listrik, saluran listrik, dan kabel. Penting untuk diperhatikan bahwa konduktivitas listrik logam dipengaruhi oleh kemurniannya dan tidak adanya pengotor.

Dalam zat dari subkelompok kedua, ketika terkena larutan, molekulnya terurai menjadi ion positif dan negatif. Ion bergerak karena paparan Medan listrik. Kemudian, ketika arus melewati elektrolit, ion-ion diendapkan pada elektroda, yang diturunkan ke dalam elektrolit ini. Proses pelepasan suatu zat dari elektrolit di bawah pengaruh arus listrik disebut elektrolisis. Proses elektrolisis biasanya digunakan, misalnya ketika logam non-besi diekstraksi dari larutan senyawanya, atau ketika logam tersebut ditutup dengan lapisan pelindung logam lain.

Deskripsi dielektrik

Dielektrik juga biasa disebut zat isolasi listrik.

Semua bahan isolasi listrik memiliki klasifikasi sebagai berikut:

  • Tergantung pada keadaan agregasi dielektrik bisa berbentuk cair, padat atau gas.
  • Tergantung pada metode produksinya - alami dan sintetis.
  • Tergantung pada komposisi kimia– organik dan anorganik.
  • Tergantung pada struktur molekulnya - netral dan polar.

Ini termasuk gas (udara, nitrogen, gas SF6), minyak mineral, bahan karet dan keramik. Zat-zat ini dicirikan oleh kemampuannya polarisasi dalam medan listrik. Polarisasi adalah terbentuknya muatan-muatan dengan tanda berbeda pada permukaan suatu zat.

Dielektrik mengandung sejumlah kecil elektron bebas, dan elektron mempunyai ikatan yang kuat dengan inti atom dan jarang terlepas dari inti atom. Artinya zat tersebut tidak mempunyai kemampuan menghantarkan arus.

Properti ini sangat berguna dalam produksi produk yang digunakan untuk perlindungan terhadap arus listrik: sarung tangan dielektrik, tikar, sepatu bot, isolator untuk peralatan listrik, dll.

Tentang semikonduktor

Semikonduktor bertindak sebagai zat perantara antara konduktor dan dielektrik. Yang paling perwakilan terkemuka Jenis zat tersebut adalah silikon, germanium, selenium. Selain itu, zat ini biasanya diklasifikasikan sebagai unsur golongan keempat tabel periodik Dmitry Ivanovich Mendeleev.

Semikonduktor mempunyai konduktivitas "lubang" tambahan, selain konduktivitas elektronik. Jenis konduktivitas ini bergantung pada sejumlah faktor lingkungan, termasuk cahaya, suhu, medan listrik dan magnet.

Zat-zat ini mengandung ikatan kovalen yang lemah. Saat terkena salah satu faktor eksternal ikatannya hancur, setelah itu elektron bebas terbentuk. Apalagi ketika sebuah elektron terlepas, dalam komposisi Ikatan kovalen masih ada “lubang” bebas. “Lubang” bebas menarik elektron di sekitarnya, sehingga tindakan ini dapat dilakukan tanpa batas waktu.

Konduktivitas zat semikonduktor dapat ditingkatkan dengan memasukkan berbagai pengotor ke dalamnya. Teknik ini tersebar luas dalam industri elektronik: dioda, transistor, thyristor. Mari kita pertimbangkan lebih detail perbedaan utama antara konduktor dan semikonduktor.

Apa perbedaan antara konduktor dan semikonduktor?

Perbedaan utama antara konduktor dan semikonduktor adalah kemampuannya menghantarkan arus listrik. Untuk konduktor, ini adalah urutan besarnya lebih tinggi.

Ketika nilai suhu meningkat, konduktivitas semikonduktor juga meningkat; Konduktivitas konduktor menjadi semakin kecil seiring dengan peningkatannya.

Dalam konduktor murni di kondisi normal Ketika arus mengalir, jumlah elektron yang dilepaskan jauh lebih besar dibandingkan semikonduktor. Pada saat yang sama, penambahan pengotor mengurangi konduktivitas konduktor, tetapi meningkatkan konduktivitas semikonduktor.

Seringkali pengrajin amatir pemula (ada juga tukang listrik profesional), ketika melakukan pekerjaan instalasi listrik, menyebut kawat sebagai kabel dan sebaliknya. Perlu dipertimbangkan bahwa ini adalah produk yang sangat berbeda dengan tujuan dan karakteristik berbeda. Untuk memahami perbedaan antara kabel dan kawat, perlu dilakukan studi tentang GOST dan pertimbangan mendetail tentang perbedaan sebenarnya di antara keduanya.

Kabel dan klasifikasinya

Kabel adalah satu inti atau sekelompok inti dengan lapisan insulasi, yang dijalin dengan cara tertentu dan ditutup dalam satu atau beberapa cangkang. Mereka dapat dipasang di bagian depan bangunan, di udara pada penyangga (pilar), di bawah tanah dan bahkan di dasar waduk (laut).

Kulit terluarnya dapat dibuat dari berbagai bahan: polietilen ikatan silang, karet, dan bahkan paduan logam (baju besi) dan bahan lainnya. Lapisan isolasi umum kabel ini dirancang untuk melindungi inti dari kerusakan mekanis dan benturan lingkungan dan berbagai bahan kimia.

Kabel dibagi menjadi beberapa kelompok sesuai dengan aplikasinya. Kelas produk berikut ini dibedakan:

  1. Kabel komunikasi. Produk tersebut ditujukan untuk sistem alarm (peringatan) dan telekomunikasi kabel (komunikasi telepon rumah);
  2. Produk listrik. Kelas ini dirancang untuk bergerak energi listrik dari sumber hingga konsumen akhir. Biasanya dipasang secara permanen, membentuk berbagai jenis saluran transmisi tenaga listrik (PTL). Inti sebagian besar terbuat dari aluminium dan tembaga. Mereka dibedakan oleh beragam model dan masa pakai yang lama - hingga 40 tahun;
  3. Pemasangan kabel listrik (kontrol). Produk-produk ini diperlukan untuk pemasangan perangkat listrik antar perangkat. Konduktor biasanya terbuat dari senyawa tembaga. Keuntungan utamanya adalah ketahanan yang tinggi terhadap pekerjaan pada suhu tinggi;
  4. Kabel kontrol. Produk-produk ini digunakan untuk penerangan dan sirkuit kontrol dalam mekanisme dan peralatan mesin yang kompleks. Tegangan maksimum – 600V;
  5. Opsi optik dan RF. Kabel listrik tersebut digunakan untuk mengirimkan sinyal dan energi dalam jangkauan optik tertentu atau pada frekuensi radio tertentu. Contoh penggunaannya adalah Internet, komunikasi telepon modern, peralatan lokasi.

Pada sebuah catatan. Terkadang kabel komunikasi, analog frekuensi optik dan radio diklasifikasikan ke dalam satu kelompok besar - kabel listrik komunikasi.

Produk kabel juga berbeda satu sama lain dalam hal berikut:

  • bahan pembuatan dan sifat-sifat lapisan insulasi (lapisan);
  • parameter pelindung;
  • karakteristik teknis yang dinyatakan dalam besaran elektrofisika;
  • bahan pembuatan dan jumlah inti konduktif;
  • penampang umum produk, diameter inti, dll.

Kabel dan klasifikasinya

GOST 15845-80 menjelaskan apa itu kawat. Sambungan kabel yang berisi satu atau sekelompok kabel (atau untaian) yang memiliki selubung tipis dari paduan non-logam disebut kawat. Selain itu, peraturan teknis ini mencirikan kabel sesuai dengan metode pemasangannya - tidak dapat dipasang di bawah tanah, inilah perbedaan pertama antara kabel dan kabel.

Kabel diklasifikasikan menurut sejumlah karakteristik dan properti:

  • jenis bahan dan karakteristik lapisan isolasi;
  • bahan pembuatan kawat;
  • diameter (bagian) produk;
  • konduktivitas dan lain-lain.

Karakteristik ini menentukan ruang lingkup penerapan produk konduktor. Kabel dapat berupa:

  • mobil;
  • lekok;
  • berinsulasi dan tidak berinsulasi (yang terakhir digunakan pada saluran listrik overhead);
  • menghubungkan;
  • instalasi dan lain-lain.

Penting! Rincian lebih lanjut tentang karakteristik kualitatif dan kuantitatif, klasifikasi produk listrik, termasuk kabel dan kabel, dapat ditemukan di GOST 15845-80 dan standar internasional ISO11801-2002.

Perbedaan antara kabel dan kawat

Oleh penampilan Kabel dan kawat listrik memiliki kemiripan tertentu, namun terdapat perbedaan di antara keduanya yang terlihat jelas oleh seorang profesional.

Lapisan insulasi inti

Perbedaan utama antara produk yang dipertimbangkan adalah adanya lapisan isolasi terpisah pada kabel untuk setiap konduktor. Sedangkan kawat atau lilitan konduktor mempunyai selubung yang sama atau tidak mempunyai sama sekali. Perbedaan ini dijelaskan dalam GOST 15845-80.

Jadi, jika setiap konduktor memiliki insulasinya sendiri, maka produk tersebut disebut kabel. Dan bila tidak ada insulasi, atau sejumlah elemen konduktor telanjang (kabel) tertutup dalam insulasi umum, maka produk tersebut disebut kawat.

Penandaan produk

Anda juga dapat membedakan produk kabel dengan kabel biasa dengan cara bacaan yang benar notasi. Setiap produk listrik memiliki penandaannya sendiri, yang dinyatakan dalam simbol alfabet, angka, dan warna.

Penandaan konduktor tidak hanya dapat mengetahui jenisnya, tetapi juga tentang bahan pembuatan selubung dan inti insulasi, jumlah dan diameter inti, ruang lingkup aplikasi, dan informasi lainnya.

Misalnya suatu produk memiliki tanda AVVGng 3x2.5, maka diuraikan sebagai berikut:

  • A – inti aluminium;
  • B – lapisan isolasi inti yang terbuat dari bahan PVC (polivinil klorida);
  • B – cangkang isolasi umum juga terbuat dari PVC;
  • G – tanpa baju besi;
  • ng – produk tidak mendukung pembakaran;
  • 3x2.5 – tiga inti dengan penampang 2,5 mm2.

Dari penguraian jelas bahwa setiap inti memiliki insulasi dan selubung yang sama, masing-masing, produk ini adalah kabel. Adanya simbol “E” pada penandaan berarti kabel mempunyai sekat, P – pelindung yang terbuat dari bahan karet, B – pelindung terhadap pembakaran dan lingkungan agresif, Ш – selubung pelindung kabel disajikan dalam bentuk selang, dan sebagainya.

Penandaan kabel berbeda dengan kabel hanya pada arti beberapa simbol yang berbeda. Misalnya, jika seseorang memiliki produk merek PuGV di depannya, maka ini adalah kawat instalasi yang memiliki insulasi yang terbuat dari bahan PVC dan ditandai dengan karakteristik fleksibilitas yang meningkat.

Penting! Karena banyaknya kombinasi simbol pada label produk kabel listrik, terkadang sulit untuk dibaca. Dalam kasus seperti itu, disarankan untuk menggunakan bantuan buku referensi khusus atau sumber daya di Internet.

Syarat Penggunaan

Kabel telah banyak digunakan dalam kondisi khusus, berbeda dengan kabel, karena telah meningkatkan perlindungan terhadap berbagai kerusakan. Semua komunikasi bawah tanah dan bawah air hanya dilakukan olehnya. Mereka juga ditempatkan di fasilitas berbahaya kebakaran, tambang, ruangan dengan aktivitas korosif tinggi dan lain-lain.

Kabel, karena perlindungannya yang lebih rendah, digunakan terutama di dalam perangkat listrik, distributor listrik, dan sebagai kabel perumahan; di luarnya, disarankan untuk menggunakan busbar atau kabel konduktif.

Menarik untuk diketahui. Produk kabel memiliki masa pakai lebih lama dan throughput lebih besar (kekuatan arus dan tegangan lebih tinggi) karena isolasi multilayer, kemungkinan adanya layar dan lapisan pelindung.

Sangat penting untuk membedakan kabel dari kabel, karena penggunaan yang salah tidak aman. Mengetahui konsep-konsep yang dijelaskan di atas dan perbedaan antara produk kabel dan konduktor, pertanyaan “apakah itu kawat atau kabel” pasti tidak akan muncul.

Video

Konduktor- zat yang dapat menghantarkan arus listrik karena adanya jumlah besar muatan yang dapat bergerak bebas (tidak seperti isolator). Mereka adalah jenis I (pertama) dan II (kedua). Konduktivitas listrik konduktor tipe I tidak disertai dengan proses kimia, melainkan disebabkan oleh elektron. Konduktor tipe I meliputi: logam murni, yaitu logam tanpa pengotor, paduan, beberapa garam, oksida dan sejumlah bahan organik. Pada elektroda yang terbuat dari konduktor tipe I, terjadi proses perpindahan kation logam ke dalam larutan atau dari larutan ke permukaan logam. Konduktor tipe II termasuk elektrolit. Aliran arus di dalamnya dikaitkan dengan proses kimia dan disebabkan oleh pergerakan ion positif dan negatif.

Elektroda jenis pertama. Dalam kasus elektroda logam jenis pertama, ion tersebut akan menjadi kation logam, dan dalam kasus elektroda metaloid jenis pertama, anion metaloid. Elektroda perak jenis pertama Ag + /Ag. Dijawab dengan reaksi Ag++ e-= Ag dan potensial elektroda

E Ag + /Ag = Ag + / Ag+ B 0 lg A Ag+.

Setelah mengganti nilai numerik E 0 dan B 0 pada 25 o C:

Contoh elektroda metaloid jenis pertama adalah elektroda selenium Se 2- /Se, Se + 2 e-= Se 2 ; pada suhu 25 o C E Se 2- /Se 0 = -0,92 - 0,03lg A Lihat 2- .

Elektroda jenis kedua- setengah sel yang terdiri dari logam yang dilapisi dengan lapisan senyawa yang sedikit larut (garam, oksida atau hidroksida) dan direndam dalam larutan yang mengandung anion yang sama dengan senyawa logam elektroda yang sedikit larut. Secara skematis, elektroda jenis kedua dapat direpresentasikan sebagai berikut: A Z-/MA., M, dan reaksi yang terjadi di dalamnya adalah MA + ze = M + AZ - .

Oleh karena itu persamaan untuk potensial elektroda akan:

Elektroda kalomel adalah merkuri yang dilapisi pasta kalomel dan dikontakkan dengan larutan KCl.

Cl - / Hg 2 Cl 2 , Hg.

Reaksi elektroda direduksi menjadi reduksi kalomel menjadi logam merkuri dan anion klor:

Potensi elektroda kalomel bersifat reversibel terhadap ion klor dan ditentukan oleh aktivitasnya:

Pada suhu 25 o C, potensial elektroda kalomel dicari dengan persamaan:

Elektroda merkuri sulfat SO 4 2 - /Hg 2 SO 4 , Hg mirip dengan kalomel, hanya bedanya merkuri di sini dilapisi dengan lapisan pasta Hg dan merkuri sulfat, dan H 2 SO 4 digunakan sebagai larutan. Potensial elektroda merkuri sulfat pada suhu 25 o C dinyatakan dengan persamaan:

Elektroda perak klorida adalah sistem Cl - /AgCl, Ag, dan potensialnya sesuai dengan persamaan:

E Cl - /AgCl, Ag = E 0 Cl - /AgCl, Ag - B lg A Kl-

atau pada 25 o C:

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

Berbagai bahan digunakan dalam teknik elektro. Sifat listrik zat ditentukan oleh jumlah elektron pada orbit valensi terluar. Semakin sedikit elektron dalam orbit ini, semakin lemah ikatannya dengan inti, dan semakin mudah perjalanannya.

Di bawah pengaruh fluktuasi suhu, elektron dipisahkan dari atom dan bergerak dalam ruang antar atom. Elektron seperti itu disebut bebas, dan menghasilkan arus listrik dalam konduktor. Apakah ruang antar atom besar, apakah ada ruang bagi elektron bebas untuk bergerak di dalam zat?

Struktur padatan dan cairan tampak kontinu dan padat, strukturnya menyerupai bola benang. Namun nyatanya malah padatan lebih mirip jaring ikan atau bola voli. Tentu saja, hal ini tidak bisa dilihat dalam kehidupan sehari-hari, namun ini akurat penelitian ilmiah Telah ditetapkan bahwa jarak antara elektron dan inti atom jauh lebih besar daripada ukurannya.

Jika ukuran inti atom direpresentasikan sebagai bola seukuran sepak bola, maka elektron dalam model tersebut akan seukuran kacang polong, dan masing-masing kacang tersebut terletak dari “inti” pada jarak. beberapa ratus atau bahkan ribuan meter. Dan antara inti dan elektron terdapat kekosongan - tidak ada apa-apa! Jika kita membayangkan jarak antar atom suatu zat pada skala yang sama, dimensinya akan sangat fantastis - puluhan dan ratusan kilometer!

Penghantar listrik yang baik adalah logam. Misalnya, atom emas dan perak hanya memiliki satu elektron di orbit terluarnya, sehingga merupakan konduktor terbaik. Besi juga menghantarkan listrik, tetapi agak buruk.

Mereka menghantarkan listrik lebih buruk lagi paduan resistensi tinggi. Ini adalah nichrome, manganin, konstantan, fechral dan lain-lain. Variasi paduan resistivitas tinggi ini disebabkan oleh fakta bahwa paduan tersebut dirancang untuk dipecahkan berbagai tugas: elemen pemanas, pengukur regangan, resistor standar untuk alat ukur dan banyak lagi.

Untuk mengevaluasi kemampuan suatu material dalam menghantarkan listrik, konsep tersebut diperkenalkan "konduktivitas listrik". Arti sebaliknya - resistivitas. Dalam mekanika, konsep-konsep ini berhubungan dengan berat jenis.

isolator, tidak seperti konduktor, cenderung tidak kehilangan elektron. Di dalamnya, ikatan antara elektron dan inti sangat kuat, dan hampir tidak ada elektron bebas. Lebih tepatnya ada, tapi sangat sedikit. Pada saat yang sama, di beberapa isolator jumlahnya lebih banyak, dan kualitas insulasinya juga lebih buruk. Cukup membandingkan misalnya keramik dan kertas. Oleh karena itu, isolator dapat dibedakan menjadi baik dan buruk.

Munculnya muatan bebas bahkan dalam isolator disebabkan oleh getaran termal elektron: di bawah pengaruh suhu tinggi, sifat isolasi memburuk; beberapa elektron masih dapat melepaskan diri dari inti.

Demikian pula, resistivitas konduktor ideal adalah nol. Tapi untungnya tidak ada panduan seperti itu: bayangkan seperti apa hukum Ohm ((I = U/R) dengan penyebut nol!!! Selamat tinggal matematika dan teknik elektro.

Dan hanya pada suhu nol mutlak (-273.2C°) fluktuasi termal benar-benar berhenti, dan isolator terburuk menjadi cukup baik. Untuk menentukan secara numerik “ini” buruk atau baik, mereka menggunakan konsep resistivitas. Ini adalah hambatan dalam Ohm pada sebuah kubus yang panjang rusuknya 1 cm, dimensi resistivitasnya diperoleh dalam satuan Ohm/cm. Resistivitas beberapa zat ditunjukkan di bawah ini. Konduktivitas adalah kebalikan dari resistivitas, - Satuan ukuran Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.

Konduktivitas yang baik atau resistivitas rendah memiliki: perak 1,5*10^(-6), dibaca (satu setengah hingga sepuluh pangkat dikurangi enam), tembaga 1,78*10^(-6), aluminium 2,8* 10^(- 6). Konduktivitas paduan dengan resistansi tinggi jauh lebih buruk: konstantan 0,5*10^(-4), nichrome 1,1*10^(-4). Paduan ini bisa disebut konduktor yang buruk. Setelah semua bilangan kompleks ini, Anda harus mengganti Ohm/cm.

Selanjutnya masuk kelompok terpisah semikonduktor dapat dibedakan: germanium 60 Ohm/cm, silikon 5000 Ohm/cm, selenium 100.000 Ohm/cm. Resistivitas kelompok ini lebih besar dari pada konduktor buruk, tetapi lebih kecil dari pada isolator buruk, apalagi yang baik. Mungkin, dengan keberhasilan yang sama, semikonduktor dapat disebut semi-isolator.

Setelah pengenalan singkat tentang struktur dan sifat-sifat atom, kita harus mempertimbangkan bagaimana atom berinteraksi satu sama lain, bagaimana atom berinteraksi satu sama lain, dan bagaimana molekul diperoleh darinya, dari mana berbagai zat tersusun. Untuk melakukan ini, sekali lagi kita harus mengingat elektron di orbit terluar atom. Bagaimanapun, merekalah yang berpartisipasi dalam penggabungan atom menjadi molekul dan menentukan sifat fisik dan Sifat kimia zat.

Bagaimana molekul terbentuk dari atom

Setiap atom berada dalam keadaan stabil jika terdapat 8 elektron pada orbit terluarnya. Ia tidak berusaha mengambil elektron dari atom tetangga, tetapi juga tidak melepaskan elektronnya sendiri. Untuk memverifikasi validitasnya, cukup dengan melihat gas inert dalam tabel periodik: neon, argon, kripton, xenon. Masing-masing dari mereka memiliki 8 elektron di orbit terluar, yang menjelaskan keengganan gas-gas ini untuk menjalin hubungan apa pun ( reaksi kimia) dengan atom lain, membangun molekul zat kimia.

Situasinya sangat berbeda bagi atom-atom yang tidak memiliki 8 elektron yang didambakan di orbit terluarnya. Atom-atom tersebut lebih suka bersatu dengan atom lain untuk melengkapi orbit terluarnya dengan hingga 8 elektron dan mencapai keadaan tenang dan stabil.

Misalnya, berikut adalah molekul air H2O yang terkenal. Ini terdiri dari dua atom hidrogen dan satu atom oksigen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1

Di bagian atas gambar, dua atom hidrogen dan satu atom oksigen ditampilkan secara terpisah. Ada 6 elektron di orbit terluar oksigen dan dua elektron di dua atom hidrogen di dekatnya. Oksigen hanya kekurangan dua elektron di orbit terluarnya untuk mencapai angka 8 yang didambakan, yang akan diterimanya dengan mengikatkan dua atom hidrogen ke dirinya sendiri.

Setiap atom hidrogen kekurangan 7 elektron di orbit terluarnya agar bisa bahagia sepenuhnya. Atom hidrogen pertama menerima 6 elektron dari oksigen ke orbit terluarnya dan satu elektron lagi dari kembarannya, atom hidrogen kedua. Sekarang ada 8 elektron di orbit terluarnya bersama dengan elektronnya. Atom hidrogen kedua juga menyelesaikan orbit terluarnya ke angka 8 yang didambakan. Proses ini ditunjukkan pada bagian bawah Gambar 1.

Gambar 2 menunjukkan proses penggabungan atom natrium dan klor. Hasilnya adalah natrium klorida, yang dijual di toko-toko dengan nama garam meja.

Gambar 2. Proses penggabungan atom natrium dan klor

Di sini juga, masing-masing peserta menerima jumlah elektron yang hilang dari satu sama lain: klorin menambahkan satu elektron natrium ke tujuh elektronnya, sementara klorin memberikan elektronnya sendiri ke atom natrium. Kedua atom memiliki 8 elektron di orbit terluar, yang menjamin keselarasan dan kesejahteraan yang lengkap.

Valensi atom

Atom yang mempunyai 6 atau 7 elektron pada orbit terluarnya cenderung mengikat 1 atau 2 elektron pada dirinya sendiri. Atom-atom tersebut dikatakan monovalen atau divalen. Tetapi jika terdapat 1, 2 atau 3 elektron pada orbit terluar suatu atom, maka atom tersebut cenderung melepaskannya. Dalam hal ini, atom dianggap bervalensi satu, dua, atau tiga.

Jika orbit terluar suatu atom mengandung 4 elektron, maka atom tersebut lebih suka bergabung dengan atom yang sama, yang juga memiliki 4 elektron. Beginilah cara atom germanium dan silikon digabungkan untuk membuat transistor. Dalam hal ini, atom disebut tetravalen. (Atom Germanium atau silikon juga dapat bergabung dengan unsur lain, seperti oksigen atau hidrogen, namun senyawa ini tidak menarik untuk cerita kita.)

Gambar 3 menunjukkan atom germanium atau silikon yang ingin bergabung dengan atom serupa. Lingkaran hitam kecil adalah elektron atom itu sendiri, dan lingkaran cahaya menunjukkan tempat jatuhnya elektron dari empat atom tetangga.

Gambar 3. atom Germanium (silikon).

Struktur kristal semikonduktor

Atom germanium dan silikon berada dalam kelompok yang sama dengan karbon dalam tabel periodik ( rumus kimia Berlian C hanyalah kristal karbon besar yang diperoleh dalam kondisi tertentu) dan oleh karena itu, jika digabungkan, akan membentuk seperti berlian struktur kristal. Pembentukan struktur seperti itu ditunjukkan, dalam bentuk yang disederhanakan, tentu saja pada Gambar 4.

Gambar 4.

Ada atom germanium di tengah kubus, dan 4 atom lagi terletak di sudut. Atom yang digambarkan di tengah kubus terhubung dengan elektron valensinya ke tetangga terdekatnya. Pada gilirannya, atom sudut melepaskan elektron valensinya ke atom yang terletak di tengah kubus dan ke tetangganya - atom yang tidak ditunjukkan pada gambar. Dengan demikian, orbit terluar diselesaikan hingga delapan elektron. Tentu saja, tidak ada kubus dalam kisi kristal, ia hanya ditunjukkan pada gambar sehingga susunan atom relatif dan volumetrik menjadi jelas.

Namun untuk menyederhanakan cerita tentang semikonduktor sebanyak mungkin, kisi kristal dapat digambarkan sebagai bidang datar gambar skema, meskipun ikatan antar atom masih berada di luar angkasa. Diagram seperti itu ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Kisi kristal Germanium dalam bentuk datar.

Dalam kristal seperti itu, semua elektron terikat erat pada atom melalui ikatan valensinya, sehingga tampaknya tidak ada elektron bebas di sini. Ternyata yang kita lihat pada gambar adalah isolator, karena tidak ada elektron bebas di dalamnya. Namun sebenarnya tidak.

Konduktivitas diri

Faktanya adalah bahwa di bawah pengaruh suhu, beberapa elektron masih berhasil melepaskan diri dari atomnya, dan untuk beberapa waktu melepaskan diri dari ikatan dengan nukleus. Oleh karena itu, sejumlah kecil elektron bebas terdapat dalam kristal germanium, sehingga memungkinkan untuk menghantarkan arus listrik. Berapa banyak elektron bebas yang ada dalam kristal germanium dalam kondisi normal?

Hanya terdapat tidak lebih dari dua elektron bebas per 10^10 (sepuluh miliar) atom, jadi germanium adalah konduktor yang buruk, atau, seperti yang mereka katakan, semikonduktor. Perlu dicatat bahwa satu gram germanium saja mengandung 10^22 (sepuluh ribu miliar miliar) atom, yang memungkinkan Anda “mendapatkan” sekitar dua ribu miliar elektron bebas. Tampaknya cukup untuk mengalirkan arus listrik yang besar. Untuk memahami masalah ini, cukup mengingat apa itu arus 1 A.

Arus sebesar 1 A sama dengan melewati konduktor dalam satu detik. muatan listrik dalam 1 Coulomb, atau 6*10^18 (enam miliar miliar) elektron per detik. Dengan latar belakang ini, dua ribu miliar elektron bebas, dan bahkan tersebar di seluruh kristal besar, hampir tidak dapat menjamin lewatnya arus yang besar. Meskipun, karena pergerakan termal, konduktivitas yang kecil ada di germanium. Inilah yang disebut konduktivitas intrinsik.

Konduktivitas elektronik dan lubang

Ketika suhu meningkat, energi tambahan diberikan kepada elektron, getaran termalnya menjadi lebih energik, akibatnya beberapa elektron berhasil melepaskan diri dari atomnya. Elektron-elektron ini menjadi bebas dan, jika tidak ada medan listrik eksternal, melakukan gerakan kacau dan bergerak di ruang bebas.

Atom yang kehilangan elektron tidak dapat melakukan pergerakan acak, tetapi hanya berosilasi sedikit dibandingkan posisi normalnya dalam kisi kristal. Atom yang kehilangan elektron disebut ion positif. Kita dapat berasumsi bahwa sebagai ganti elektron yang tercabut dari atomnya, diperoleh ruang bebas, yang biasa disebut lubang.

Secara umum jumlah elektron dan lubangnya sama, sehingga sebuah lubang dapat menangkap elektron yang kebetulan berada di dekatnya. Akibatnya atom berubah dari ion positif menjadi netral kembali. Proses penggabungan elektron dengan lubang disebut rekombinasi.

Pemisahan elektron dari atom terjadi dengan frekuensi yang sama, oleh karena itu rata-rata jumlah elektron dan lubang untuk semikonduktor tertentu adalah sama, bernilai konstan dan bergantung pada kondisi eksternal, terutama suhu.

Jika tegangan diterapkan pada kristal semikonduktor, pergerakan elektron akan teratur, dan arus akan mengalir melalui kristal karena konduktivitas elektron dan lubangnya. Konduktivitas ini disebut konduktivitas intrinsik, telah disebutkan sedikit lebih tinggi.

Tetapi semikonduktor dalam bentuknya yang murni, yang memiliki konduktivitas elektronik dan lubang, tidak cocok untuk pembuatan dioda, transistor, dan bagian lainnya, karena perangkat ini didasarkan pada sambungan p-n (baca “pe-en”).

Untuk memperoleh transisi seperti itu diperlukan dua jenis semikonduktor, dua jenis konduktivitas (p - positif - positif, lubang) dan (n - negatif - negatif, elektronik). Semikonduktor jenis ini dibuat dengan doping, menambahkan pengotor ke kristal germanium atau silikon murni.

Meskipun jumlah pengotor sangat kecil, namun keberadaannya di secara luas mengubah sifat semikonduktor, memungkinkan Anda memperoleh semikonduktor dengan konduktivitas berbeda. Ini akan dibahas di bagian artikel selanjutnya.

Boris Aladyshkin,

Apa itu semikonduktor dan dimakan dengan apa?

Semikonduktor- bahan yang tidak dapat kita bayangkan tanpanya dunia modern teknologi dan elektronik. Semikonduktor menunjukkan sifat logam dan nonlogam dalam kondisi tertentu. Menurut nilai spesifiknya hambatan listrik semikonduktor menempati posisi perantara antara konduktor yang baik dan dielektrik. Semikonduktor berbeda dari konduktor dalam ketergantungan yang kuat dari konduktivitas spesifik pada keberadaan unsur pengotor (elemen pengotor) dalam kisi kristal dan konsentrasi unsur-unsur tersebut, serta pada suhu dan paparan berbagai jenis radiasi.
Properti dasar semikonduktor- peningkatan konduktivitas listrik dengan meningkatnya suhu.
Semikonduktor adalah zat yang celah pitanya berada pada urutan beberapa elektron volt (eV). Misalnya, intan dapat diklasifikasikan sebagai semikonduktor celah lebar, dan indium arsenida dapat diklasifikasikan sebagai semikonduktor celah sempit. Celah pita adalah lebar celah energi antara bagian bawah pita konduksi dan bagian atas pita valensi, dimana tidak ada keadaan yang diperbolehkan untuk elektron.
Besarnya celah pita penting ketika menghasilkan cahaya pada LED dan laser semikonduktor dan menentukan energi foton yang dipancarkan.

Semikonduktor mencakup banyak hal unsur kimia: Si silikon, Ge germanium, As arsenik, Se selenium, Te telurium dan lain-lain, serta segala jenis paduan dan senyawa kimia, misalnya: silikon iodida, galium arsenida, merkuri telurit, dll.). Secara umum, hampir semuanya zat anorganik dunia di sekitar kita adalah semikonduktor. Semikonduktor yang paling umum di alam adalah silikon, yang menurut perkiraan kasar, membentuk hampir 30% kerak bumi.

Bergantung pada apakah atom dari unsur pengotor melepaskan elektron atau menangkapnya, atom pengotor disebut atom donor atau akseptor. Sifat donor dan akseptor atom suatu unsur pengotor juga bergantung pada atom mana kisi kristal itu menggantikan bidang kristalografi mana ia tertanam.
Seperti disebutkan di atas, sifat konduktif semikonduktor sangat bergantung pada suhu, dan ketika suhu mencapai nol mutlak (-273°C), semikonduktor memiliki sifat dielektrik.

Berdasarkan jenis konduktivitasnya, semikonduktor dibedakan menjadi tipe-n dan tipe-p

semikonduktor tipe-n

Berdasarkan jenis konduktivitasnya, semikonduktor dibedakan menjadi tipe-n dan tipe-p.

Semikonduktor tipe-n mempunyai sifat pengotor dan menghantarkan arus listrik seperti logam. Unsur pengotor yang ditambahkan ke semikonduktor untuk menghasilkan semikonduktor tipe-n disebut unsur donor. Istilah "tipe-n" berasal dari kata "negatif", yang mengacu pada muatan negatif yang dibawa oleh elektron bebas.

Teori proses transfer muatan dijelaskan sebagai berikut:

Unsur pengotor, pentavalen As arsenik, ditambahkan ke silikon Si tetravalen. Selama interaksi, setiap atom arsenik berikatan kovalen dengan atom silikon. Namun atom arsenik bebas kelima tetap ada, yang tidak memiliki tempat dalam ikatan valensi jenuh, dan ia berpindah ke orbit elektron yang jauh, di mana lebih sedikit energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom. Elektron melepaskan diri dan menjadi bebas, mampu membawa muatan. Jadi, perpindahan muatan dilakukan oleh elektron, bukan lubang, yaitu semikonduktor jenis ini menghantarkan arus listrik seperti logam.
Antimon Sb juga meningkatkan sifat salah satu semikonduktor terpenting - germanium Ge.

semikonduktor tipe-p

Semikonduktor tipe-p, selain basis pengotor, dicirikan oleh sifat konduktivitas lubang. Pengotor yang ditambahkan dalam hal ini disebut pengotor akseptor.
“tipe-p” berasal dari kata “positif”, yang mengacu pada muatan positif pembawa mayoritas.
Misalnya, sejumlah kecil atom indium trivalen ditambahkan ke semikonduktor, silikon Si tetravalen. Dalam kasus kita, indium akan menjadi unsur pengotor, yang atom-atomnya membentuk ikatan kovalen dengan tiga atom silikon yang berdekatan. Tetapi silikon memiliki satu ikatan bebas sedangkan atom indium tidak memiliki elektron valensi, sehingga ia menangkap elektron valensi dari ikatan kovalen antara atom silikon tetangga dan menjadi ion bermuatan negatif, membentuk apa yang disebut lubang dan, karenanya, lubang. transisi.
Menurut skema yang sama, In ndium memberikan konduktivitas lubang ke Ge germanium.

Menyelidiki sifat-sifat unsur dan bahan semikonduktor, mempelajari sifat-sifat kontak antara konduktor dan semikonduktor, bereksperimen dalam pembuatan bahan semikonduktor, O.V. Losev menciptakan prototipe LED modern pada tahun 1920-an.