20. Izolatory, półprzewodniki, przewodniki i nadprzewodniki

Wprowadzenie

Materiały można podzielić na cztery główne grupy ze względu na ich właściwości przewodzenia prądu elektrycznego:

izolatory,

półprzewodniki,

przewodniki,

nadprzewodniki.

Każda z tych grup charakteryzuje się innym mechanizmem przewodzenia oraz inną wartością oporu elektrycznego.

Izolatory

Materiały o bardzo wysokim oporze elektrycznym.

Prąd elektryczny płynie przez nie w bardzo ograniczonym stopniu lub wcale.

Przykłady: szkło, guma, plastik, ceramika, sucha drewno.

Mechanizm: brak swobodnych nośników ładunku (elektronów lub jonów).

Zastosowanie: izolacja przewodów, elementy zabezpieczające przed porażeniem.

Półprzewodniki

Materiały o oporze pośrednim między przewodnikami a izolatorami.

Przewodnictwo zależy od warunków zewnętrznych (temperatura, domieszki, światło).

Przykłady: krzem (Si), german (Ge), arsenek galu (GaAs).

Mechanizm: przewodnictwo dzięki elektronowym nośnikom i dziurom, liczba nośników może być sterowana.

Zastosowanie: elementy elektroniczne – diody, tranzystory, czujniki.

Przewodniki

Materiały o niskim oporze elektrycznym.

Prąd płynie przez nie łatwo dzięki swobodnym elektronom przewodnictwa.

Przykłady: miedź, srebro, aluminium, złoto.

Mechanizm: swobodne elektrony w strukturze metalu.

Zastosowanie: przewody, kable, styki elektryczne.

Nadprzewodniki

Materiały, które w bardzo niskich temperaturach (bliskich 0 K) tracą całkowicie opór elektryczny.

Prąd płynie bez strat energii.

Przykłady: rtęć (w temp. <4,2 K), ołów, niektóre związki ceramiczne (HTS – wysokotemperaturowe nadprzewodniki).

Mechanizm: parowanie elektronów (pary Coopera), brak rozpraszania.

Zastosowanie: magnesy w medycynie (MRI), szybkie linie przesyłowe, elementy elektroniczne.

Porównanie właściwości

Właściwość	Izolator	Półprzewodnik	Przewodnik	Nadprzewodnik
Opór elektryczny	bardzo wysoki	średni	bardzo niski	praktycznie zerowy
Nośniki ładunku	brak swobodnych	elektron + dziura	swobodne elektrony	pary Coopera
Zależność od temp.	maleje nieznacznie	silna	rośnie	zerowy opór poniżej Tc
Typowe materiały	szkło, plastik	krzem, german	miedź, srebro	rtęć, ołów, YBCO

Podsumowanie

Izolatory blokują przepływ prądu.

Półprzewodniki przewodzą warunkowo, podstawą elektroniki.

Przewodniki umożliwiają swobodny przepływ prądu.

Nadprzewodniki pozwalają na przepływ prądu bez strat w odpowiednich warunkach.