Αγωγοί, Ημιαγωγοί και Μονωτές

Η ικανότητα ενός αντικειμένου να μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο εξαρτάται από το αν είναι κατασκευασμένο από αγώγιμο ή μη αγώγιμο υλικό. Για παράδειγμα, όταν ανάβουμε έναν ηλεκτρικό διακόπτη, η λάμπα ανάβει. Είναι επειδή ένα μεταλλικό σύρμα χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος στον λαμπτήρα. Αλλά, εάν στη θέση του χρησιμοποιηθεί ένα πλαστικό σύρμα ή ένα βαμβακερό νήμα, η λάμπα δεν θα λάμπει. Αυτό το πείραμα καθιστά προφανές ότι ορισμένα αντικείμενα έχουν τη δυνατότητα να μεταφέρουν ηλεκτρικό φορτίο, ενώ μερικά όχι. Ανάλογα με τις ικανότητές τους κατατάσσονται σε Αγωγούς, Ημιαγωγούς και Μονωτές. Αυτό το άρθρο καλύπτει τους ορισμούς, τα παραδείγματα και τις ιδιότητές τους.

Τι είναι οι αγωγοί;

Οι αγωγοί είναι υλικά που επιτρέπουν στον ηλεκτρισμό να ρέει ελεύθερα και εύκολα μέσα από αυτούς. Η ιδιότητα των αγωγών που τους επιτρέπει να φέρουν ηλεκτρισμό ονομάζεται αγωγιμότητα. Η δύναμη που απαιτείται για τη ροή των ηλεκτρονίων είναι γνωστή ως τάση.

Πώς λειτουργεί ένας μαέστρος;

Η αγωγιμότητα ενός αγωγού εξαρτάται από τον συνολικό αριθμό των φορτισμένων σωματιδίων που υπάρχουν και από το πόσο μακριά μπορούν να μετακινηθούν από το ένα μέρος στο άλλο. Ακολουθούν ορισμένα σημεία σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας των αγωγών:

• Ένας αγωγός έχει ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια στην επιφάνειά του, τα οποία επιτρέπουν την ομαλή διέλευση του ηλεκτρισμού.
• Όταν ένα ηλεκτρικό φορτίο μεταφέρεται μέσω ενός αγωγού, κατανέμεται σε ολόκληρο το σώμα του λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων.
• Τα ηλεκτρικά φορτία συνεχίζουν να εξαπλώνονται στην επιφάνεια ενός αγωγού έως ότου η δύναμη απώθησης μεταξύ των ηλεκτρονίων σε περιοχές με πλεονάζοντα ηλεκτρόνια μειωθεί στο ελάχιστο.
• Όταν ένας αγωγός έρχεται σε επαφή με άλλον αγωγό, τα ηλεκτρικά φορτία μεταφέρονται από το πρώτο αντικείμενο στο άλλο μέχρι να ελαχιστοποιηθούν τα φορτία.
• Παραδείγματα αγωγών:χαλκός, ασήμι, σίδηρος, ορείχαλκος, χάλυβας, χρυσός, αλουμίνιο, κ.λπ. Ακόμη και τα σώματα ανθρώπων και ζώων είναι παραδείγματα αγωγών.

Η σημασία των μαέστρων στη ζωή μας

• Το ασήμι είναι γνωστό ως ο καλύτερος αγωγός ηλεκτρισμού καθώς περιέχει μεγάλο αριθμό κινητών ελεύθερων ηλεκτρονίων. Χρησιμοποιείται σε διάφορα εξειδικευμένα εργαλεία όπως δορυφόρους, κολλήσεις και ηλεκτρικές πλακέτες.
• Ο χαλκός χρησιμοποιείται συνήθως σε οικιακές συσκευές και ηλεκτρικό εξοπλισμό.
• Το αλουμίνιο χρησιμοποιείται συχνά σε καλώδια ηλεκτρικού ρεύματος μεγάλων αποστάσεων και ηλεκτρικές συσκευές.
• Το νικέλιο χρησιμοποιείται ευρέως σε μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων και εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας.
• Ο γραφίτης είναι το μόνο αμέταλλο που μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή ηλεκτροδίων και σε μπαταρίες αυτοκινήτων.

Τι είναι οι ημιαγωγοί;

Οι ημιαγωγοί είναι γνωστοί ως «εγκέφαλοι της σύγχρονης ηλεκτρονικής». Οι ημιαγωγοί είναι στοιχεία με τιμή αγωγιμότητας μεταξύ αγωγών και μονωτών.

Παράδειγμα:πυρίτιο, γερμάνιο, αρσενίδιο και τα στοιχεία κοντά στη «μεταλλοειδή σκάλα» στον περιοδικό πίνακα.

Τύποι ημιαγωγών

Οι ημιαγωγοί χωρίζονται σε δύο τύπους: 

1. Εσωτερικοί ημιαγωγοί 
2. Εξωτερικοί ημιαγωγοί

Εσωτερικοί ημιαγωγοί 

Οι ενδογενείς ημιαγωγοί δημιουργούνται για να είναι πολύ καθαροί. Υπάρχει μόνο μία συγκεκριμένη μορφή εγγενών ημιαγωγών. Παραδείγματα:γερμάνιο (Ge), πυρίτιο (Si), κ.λπ.

Εξωτερικοί ημιαγωγοί 

Στους εξωγενείς ημιαγωγούς, η αγωγιμότητα μπορεί να βελτιωθεί με την προσθήκη ακαθαρσιών. Η μέθοδος εισαγωγής ενός ατόμου ακαθαρσίας σε έναν καθαρό ημιαγωγό είναι γνωστή ως ντόπινγκ. Οι εξωτερικοί ημιαγωγοί χωρίζονται σε δύο κατηγορίες – 

• Ημιαγωγός τύπου N
• Ημιαγωγός τύπου P 
• Ημιαγωγός τύπου N:Προσμίξεις όπως τα As, Sb και Bi προστίθενται σε έναν καθαρό ημιαγωγό όπως το πυρίτιο ή το γερμάνιο. Ως αποτέλεσμα, τέσσερα από τα πέντε ηλεκτρόνια σθένους δημιουργούν δεσμό με τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους του Si ή του Ge.
• Ημιαγωγός τύπου P:ένας καθαρός ημιαγωγός (Si, Ge) είναι εμποτισμένος με μια τρισθενή ακαθαρσία όπως αλουμίνιο, γάλλιο ή αρσενικό. Ως αποτέλεσμα, τρία ηλεκτρόνια σθένους του ακάθαρτου στοιχείου δημιουργούν δεσμό με τρία από τα τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους του ημιαγωγού.

Σύγκριση μεταξύ εγγενών και εξωγενών ημιαγωγών

Παράμετροι	Εσωτερικοί ημιαγωγοί	Εξωτερικοί Ημιαγωγοί
Σημασία/ Περίγραμμα	Οι ημιαγωγοί είναι σε καθαρή μορφή	Οι ημιαγωγοί είναι ντοπαρισμένοι με ακαθαρσίες.
Παραγωγή εταιρειών αλλαγών	Λόγω θερμικής ανάδευσης	Κυρίως λόγω ακαθαρσιών
Ηλεκτρική αγωγιμότητα	Χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα	Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα
Θερμοκρασία	Χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας	Υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας
Συμπεριφορά σε 0 Kelvin	Το επίπεδο Fermi βρίσκεται μεταξύ των ζωνών αγωγιμότητας και σθένους	Στους ημιαγωγούς τύπου Ν, το επίπεδο Fermi βρίσκεται κοντά στη ζώνη αγωγιμότητας. Στους ημιαγωγούς τύπου P, το επίπεδο Fermi βρίσκεται κοντά στη ζώνη σθένους.
Παραδείγματα	Πυρίτιο, γερμάνιο	Οι Si και Ge είναι ντοπαρισμένοι με Al, Ga, P κ.λπ.

Η σημασία των ημιαγωγών στη ζωή μας

• Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται στους αισθητήρες θερμοκρασίας των κλιματιστικών.
• Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό λογικών πυλών, ψηφιακών κυκλωμάτων και αναλογικών κυκλωμάτων όπως ταλαντωτές και ενισχυτές.
• Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται σε ηλιακές πλάκες.
• Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται σε τρισδιάστατους εκτυπωτές και μικροτσίπ.
• Οι συσκευές ημιαγωγών χρησιμοποιούνται σε υπολογιστές, αριθμομηχανές, κινητά τηλέφωνα και άλλα ηλεκτρονικά gadget.

Τι είναι οι μονωτές;

Οι μονωτές είναι μη μεταλλικά στοιχεία που έχουν υψηλή αντίσταση στη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτά τα υλικά εμποδίζουν τα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα από το ένα στοιχείο στο άλλο.

Παραδείγματα:γυαλί, πλαστικά, μαλλί, βαμβάκι, καουτσούκ, καθαρό νερό κ.λπ.

Πώς λειτουργεί ένας μονωτήρας;

Εάν εφαρμοστεί ηλεκτρικό φορτίο σε έναν μονωτήρα, αυτό παραμένει στην εφαρμοζόμενη περιοχή και δεν εξαπλώνεται σε όλο το σώμα του στοιχείου.

Μέθοδοι φόρτισης μονωτών: 

• Επαγωγή
• Τρίψιμο με άλλα υλικά

Η σημασία των μονωτών στη ζωή μας 

• Τα κεραμικά υλικά (μονωτές) χρησιμοποιούνται συχνά σε υποδοχές καλωδίων και επιστρώσεις σε συστήματα ισχύος υψηλής τάσης για να περιορίσουν τα καλώδια από το να μεταφέρουν ηλεκτρισμό.
• Το ξηρό βαμβάκι είναι ένα συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό σε υφασμάτινες ταινίες που μονώνει τα ηλεκτρικά καλώδια και κρατά τους ανθρώπους ασφαλείς και ασφαλείς.
• Το σύρμα από υαλοβάμβακα είναι ένας εξαιρετικός μονωτήρας που χρησιμοποιείται σε συστήματα ισχύος υψηλής τάσης, όπως φούρνους ή φούρνους.
• Το γυαλί χρησιμοποιείται συνήθως ως μονωτικό σε καλώδια ρεύματος.
• Το καουτσούκ είναι εξαιρετικός μονωτήρας. Οι ηλεκτρολόγοι χρησιμοποιούν λαστιχένια γάντια και παπούτσια για να προστατευτούν από ηλεκτροπληξία. Το καουτσούκ χρησιμοποιείται επίσης σε πίνακες διανομής και ηλεκτρικές επενδύσεις.

Συγκριτική ανάλυση μεταξύ αγωγών, ημιαγωγών και μονωτών 

Παράμετροι	Μαθητές	Ημιαγωγοί	Μονωτές
Ορισμός	Μια ουσία που επιτρέπει στο ηλεκτρικό φορτίο να διέρχεται ελεύθερα από αυτήν	Ένα υλικό του οποίου η αγωγιμότητα βρίσκεται μεταξύ αγωγών και μονωτών	Μια ουσία που δεν επιτρέπει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος
Σχέση με τη θερμοκρασία	Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αντίστασή του αυξάνεται	Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αντίστασή του μειώνεται	Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αντίστασή του μειώνεται
Αγωγιμότητα	Υψηλή αγωγιμότητα	Ενδιάμεση αγωγιμότητα	Χαμηλή αγωγιμότητα
Λόγος αγωγής	Λόγω της παρουσίας ελεύθερων ηλεκτρονίων σε μεταλλικούς δεσμούς	Λόγω της κίνησης ηλεκτρονίων και οπών	Χωρίς αγωγιμότητα, καθώς δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια
Τιμή αγωγιμότητας	Πολύ υψηλό, δηλαδή 10-7 MHO/M	Μεταξύ 10-7 MHO/M έως 10-¹3 MHO/M	Σχεδόν αμελητέα, είναι 10-¹3 MHO/M
Energy Band Gap	Δεν υπάρχει ενεργειακό κενό	Το ενεργειακό του κενό είναι 1 eV, το οποίο είναι μεγαλύτερο από τους αγωγούς αλλά μικρότερο από τους μονωτές	Το ενεργειακό του χάσμα είναι 5 eV και χρειάζεται τεράστια ποσότητα ενέργειας για να ωθήσει ηλεκτρόνια
Ισχύς αντίστασης	Χαμηλή	Κανονικό	Πολύ υψηλό
Τιμή αντίστασης	Λιγότερο από 10-⁵Ω-M	Μεταξύ 10-5Ω-M έως 10-5Ω-M	Περισσότερα από 10-⁵Ω-M
Συντελεστής αντίστασης	Θετικός Συντελεστής Αντίστασης	Αρνητικός συντελεστής αντίστασης	Αρνητικός συντελεστής αντίστασης
Αριθμός/α ηλεκτρονίων σθένους στο εξωτερικό περίβλημα	1 ηλεκτρόνιο σθένους	4 ηλεκτρόνια σθένους	8 ηλεκτρόνια σθένους
Διαδικασία Σχηματισμού	Σχηματίζεται με μεταλλική συγκόλληση	Σχηματίζεται με ομοιοπολικό δεσμό	Σχηματίζεται με ιοντικό δεσμό
Συμπεριφορά σε σημείο απόλυτο μηδέν (0 Kelvin)	Λειτουργήστε σαν υπερ-μαέστρος	Λειτουργήστε ως μονωτικό	Λειτουργήστε ως μονωτικό

Συμπέρασμα

Οι αγωγοί είναι μια βασική ουσία για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Έχουν πολλές εφαρμογές στην πραγματική ζωή. Από την άλλη, ενώ οι ημιαγωγοί έχουν τεράστιες τεχνολογικές εφαρμογές, οι μονωτές συμβάλλουν στη μείωση του κινδύνου ηλεκτρικών πυρκαγιών και καθιστούν το κύκλωμα ασφαλές στην αφή. Ο γραφίτης είναι το μόνο μη μέταλλο που μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Το καουτσούκ είναι ένας εξαιρετικός μονωτήρας. Το καουτσούκ χρησιμοποιείται επίσης σε πίνακες διανομής και ηλεκτρικές επενδύσεις. Οι ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό λογικών πυλών, ψηφιακών κυκλωμάτων και αναλογικών κυκλωμάτων όπως ταλαντωτές και ενισχυτές.