Przewodniki, izolatory i ... półprzewodniki 

Różne materiały mają różne właściwości. Wiesz to z codziennego doświadczenia. Na przykład w różny sposób przewodzą ciepło i prąd elektryczny, mają różny ciężar właściwy, twardość, giętkość itd.

Teraz zajmiemy się własnościami elektrycznymi różnych materiałów czyli tym jak różne materiały przewodzą prąd elektryczny. Naturalnym wydaje się podział na takie, które są przewodnikami prądu, i takie przez które prąd nie płynie czyli izolatory, nazywane także dielektrykami.

Okazuje się, że jest jeszcze jedna ważna grupa materiałów czyli takie, które ze względu na swoje właściwości plasują się pomiędzy przewodnikami i dielektrykami - to półprzewodniki. 

Scharakteryzuję je w właśnie w takiej kolejności.

Przewodniki użyte do obliczeń rezystancji

Różne przewody w izolacji

Przewodniki elektryczności 

Przewodnikami elektryczności są przede wszystkim metale i ich stopy. Wynika to z budowy ich sieci krystalicznej, w której występują swobodne elektrony, które nie będąc związane z konkretnym atomem, mogą się swobodnie przemieszczać pomiędzy sąsiednimi atomami. Mówi się także, że tworzą chmurę elektronów.

Po przyłożeniu napięcia elektrony zaczynają przemieszczać się w kierunku dodatniego potencjału - płynie prąd elektryczny. Z tego samego powodu metale są również dobrymi przewodnikami ciepła.

Jednak metale i ich stopy różnią się zdolnością (skłonnością?) do przewodzenia prądu.

W przeprowadzonym doświadczeniu, które pokazałem na filmie widzimy, że przez druty wykonane z różnych metali i o różnym przekroju przy takim samym napięciu płynie prąd o różnym natężeniu. Powiemy, że stawiają one różny opór przepływowi prądu. (Przeczytaj materiał o Prawie Ohma.)

Najlepszymi przewodnikami elektryczności są: srebro, miedź, złoto, glin (aluminium).

Rezystywność przewodników, półprzewodników i izolatorów (dielektryków) porównano w tabeli.  

Mika - minerał  

Kondensator powietrzny - obrotowy

Izolatory

Izolatory to materiały zwane inaczej dielektrykami. Wszystkie elektrony są związane z atomami i cząsteczkami materiału.  A skoro nie ma swobodnych elektronów to prąd przez taki materiał nie może płynąć.

Jeśli chcemy wykorzystać energię elektryczną czyli energięwynikającą z przepływającego prądu do wykonania pracy czyli np. do podgrzania wody na herbatę lub zasilania komputera czy telewizora, to aby obwód był zamknięty prąd musi płynąć do odbiornika i wracać do sieci. Potrzebujemy więc dwóch przewodów i muszą one być od siebie odizolowane. Przewodnik musi być otoczony materiałem, który prądu nie przewodzi - czyli izolatorem. Wszystkie przewody, z których korzystamy mają izolacje z tworzyw sztucznych, które są dobrymi izolatorami i są łatwe w przetwarzaniu.

Dawniej, kiedy nie było jeszcze tworzyw sztucznych, aby odizolować od siebie przewody owijano je nawoskowanym papierem i oplotem z włókien bawełny. Jako izolator wykorzystywana była także mika - naturalny minerał, który jest bardzo dobrym izolatorem i jest odporny na wysokie temperatury.  

Dobrym izolatorem jest także powietrze (przy małej wilgotności). Wykorzytsywano izolacyjne własności powietrza m.in w kondensatorach strojeniowych w dawnych odbiornikach radiowych. Gałka do wyszukiwania stacji radiowej połączone była z kółkiem na osi kondensatora i blaszki rotora (części ruchomej) "wchodziły" pomiędzy blaszki statora (części nieruchomej) zmieniając tym samym pojemność kondensatora, co umożliwiało dostrojenie części odbiorczej radiodbiornika do częstotliwoci stacji nadawczej.  

Detektor kryształkowy - dioda   

Metoda Czochralskiego - monkryształ krzemu

Półprzewodniki

Pierwszym półprzewodnikowym elementem wykorzystywanym w praktyce był detektor kryształkowy. Metalowe ostrze dotykało naturalnego półprzewodnika - kryształu galeny - siarczku ołowiu (II). Uzyskiwano w ten sposób diodę ostrzową, która umożliwiała obiór sygnału radiowego nadawanego na falach długich, średnich i krótkich (z modulacją amplitudy, ale o tym w innym artykule). 

Przełomem w stosowaniu półprzewodników był wynalazek tranzystora ostrzowego. Pierwszy tranzystor tego typu "zadziałał" 16 grudnia 1947 r.. Został skonstruowany przez Johna Bardeena oraz Waltera Housera Brattaina. Tranzystory ostrzowe zostały w przeciągu paru lat wyparte przez skonstruowane przez Williama Bradforda Shockleya tranzystory złączowe (warstwowe), Wszyscy trzej panowie zostali wyróżnieni nagrodą Nobla z fizyki w roku 1956.

W latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku świat się zmienił - nastała era elektroniki. 

Półprzewodnikiem wykorzystywanym powszechnie w elektronice był początkowo german, później w wielu zastosowaniach został zastąpiony przez krzem. Oba są pierwiastkami 14 grupy w układzie okresowym i mają na ostatniej orbicie 4 elektrony, tworzące wiązanie kowalencyjne z czterema sąsiednimi atomami.

Wprowadzając w strukturę germanu lub krzemu atomy, które na ostatniej orbicie mają trzy elektrony (bor, glin, gal - 13 grupa) otrzymujemy półprzewodnik typu p, Brak jednego elektronu tworzy tzw. dziurę - mającą ładunek dodatni - positive - czyli p.

Wprowadzając do germanu lub krzemu domieszki z pierwiastków mających 5 elektronów na ostatniej orbicie (fosfor, arsen, antymon - 15 grupa) otrzymujemy półprzewodnik typu n. Mamy nadmiarowy piąty elektron o ładunku ujemnym - negativ - czyli n. 

German domieszkowany liczbą jednego atomu domieszki na każde kilka milionów atomów germanu ma opór elektryczny właściwy około 1000 razy mniejszy niż sam german.

Łącząc warstwy p-n-p lub n-p-n otrzymujemy tranzystory warstwowe. Ale o tym w innym artykule w innym dziale. 

Półprzewodniki to materiały, z których wykonuje się elementy elektroniczne, w tym także układy scalone: mikroprocesory, pamięci komputerowe, a także słoneczne panele fotowoltaiczne.

Bez półprzewodników nie istnałby świat jaki znasz. Bo znasz tylko świat ze smartfonem i Internetem, a ich nie byłoby bez półprzewodników. 

Warto tu dodać, że zawdzięczamy to także wynalazkowi, urodzonego w Kcyni w Wielkopolsce, Janowi Czochralskiemu, który opracował metodę produkcji monokryształów. Metoda Czochralskiego jest wykorzystywana na całym świecie do produkcji walcowatych monokryształów krzemu (ilustracja z prawej), które później tnie się na plasterki zwane wafelkami. W jednym wafelku krzemu wytwarza się równocześnie setki układów scalonych. Zobacz fotografie w karuzeli poniżej!

Podsumowanie

Trudno wyobrazić sobie dziś świat bez elektryczności i elektroniki. A te z kolei bez przewodników, izolatorów i półprzewodników !!!  Czyż to nie jest niesamowite???

Wszystko to, do czego zostały wykorzystane zawdzięczmy geniuszowi wynalazców i konstruktorów.   

Zadanie:

Aby zainspirować Cię do refleksji nad rolą półprzewodników wstawiłem różne obrazy wafelków krzemu z układami scalonymi do karuzeli obrazów poniżej.

Napisz proszę co sądzisz o wpływie elektroniki półprzewodników na zmiany we współczesnym świecie.

Myślę, że warto, aby się nad tym zastanowić i ... napisać ;)

tel.: 505 377 726     e-mail: kontakt@terazrozumiem.pl

NOTA PRAWNA: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt 1 b) Ustawy o prawach autorskich i prawach pokrewnych (z 4 lutego 1994 r, z późn. zmianami) zastrzegam, że wszystkie materiały zamieszczone na terazrozumiem.pl są objęte prawami autorskimi, a ich dalsze rozpowszechnianie bez mojej zgody jest zabronione