Ключевое отличие: свободные носители заряда
Электрический ток — движение свободных заряженных частиц. Всё зависит от того, есть ли в веществе такие частицы и сколько их.
| Свойство | Проводник | Диэлектрик | Полупроводник |
|---|---|---|---|
| Свободные носители | Много (10²³/см³) | Ничтожно мало | Мало, но управляемо |
| Удельное сопротивление | 10⁻⁸ — 10⁻⁶ Ом·м | 10⁸ — 10¹⁸ Ом·м | 10⁻⁴ — 10² Ом·м |
| Примеры | Медь, серебро, алюминий, графит | Стекло, резина, фарфор, пластик, воздух (сухой) | Кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия |
| При нагреве | Сопротивление растёт | Практически без изменений | Сопротивление падает |
Проводники
В металле каждый атом отдаёт 1–2 электрона в общее «электронное облако». Эти электроны свободно движутся по кристаллической решётке — отсюда высокая проводимость. При нагреве атомы решётки колеблются сильнее, мешая движению электронов, — сопротивление растёт. Поэтому нить лампочки накаливания имеет большее сопротивление при работе, чем в холодном состоянии.
Диэлектрики
В диэлектрике все электроны прочно связаны с атомами. Слабое поле их не освобождает. Но при очень сильном поле (~кВ/мм) происходит пробой — принудительная ионизация, ток резко возрастает. Молния — пробой воздуха (~3 МВ/м). Именно поэтому провода покрывают изоляцией (ПВХ, резина), а высоковольтные трансформаторы погружают в масло.
Полупроводники
Кремний при комнатной температуре имеет небольшое число свободных электронов — они возникают при тепловых флуктуациях. При нагреве энергии становится больше, число носителей растёт — сопротивление падает (обратная зависимость, в отличие от металлов).
Главная особенность полупроводников — управляемость. Добавляя ничтожные примеси (легирование), можно в миллионы раз изменить проводимость. На этом основан транзистор — ключевой элемент любого компьютера и смартфона. Все интегральные микросхемы сделаны из кремния.
