Ich habe Diagramme gesehen, die den Übergang vom Isolator zum Halbleiter zeigen und zwischen Halbleiter und Leiter ist . Sind diese Umschaltpunkte willkürliche, von Menschen gemachte Konventionen oder gibt es physikalische Unterschiede, die Isolatoren, Halbleiter und Leiter scharf voneinander trennen?
Ich habe mir zum Beispiel gesagt, dass alle Materialien Strom leiten, nur manche tun es radikal weniger gut, bis zu 18 Größenordnungen weniger gut. Ich frage mich, ob ich richtig liege.
Wie Sie erwartet haben, gibt es keine scharfe Trennung zwischen den Gruppen. Die Kluft ist menschengemacht.
Da alle Leiter einen gewissen Widerstand haben (außer Supraleiter - folgen Sie diesem Link, um mehr zu erfahren) und alle Isolatoren einen gewissen Strom leiten, wenn sie dazu gezwungen werden, bedeutet dies, dass es keine absolute Trennlinie zwischen Leitern und Isolatoren gibt. Da einige Metalle sehr, sehr gute Leiter mit nur sehr geringem Widerstand sind und einige Nichtmetalle sehr, sehr gute Isolatoren sind, sind die Begriffe praktisch, wenn wir es mit den üblichen Spannungen zu tun haben, die in einem Labor auftreten. ( Quelle )
In der Praxis sind die Definitionen hilfreich, da der dynamische Bereich zwischen guten Leitern und guten Isolatoren sehr groß ist und sich die mittleren Bereiche zwischen Leiter, Halbleiter und Isolator nur in wenigen Situationen als sinnvoll erweisen.
Es versteht sich von selbst, dass diejenigen, die mit Hochspannungen (mehrere Hundert Kilovolt und mehr) arbeiten, die Grenze zwischen Isolator und Nicht-Isolator ganz anders definieren werden als ein Bastler, der an 5-10 V herumbastelt. Bei höheren Spannungen beginnt der Widerstand von Isolatoren einen größeren Einfluss auf unser Design zu haben, und wir werden wählerischer, wie hoch dieser Widerstand sein muss, bevor wir ihn als Isolator bezeichnen.
Eine andere Möglichkeit, Leiter und Nichtleiter oder Isolatoren zu unterscheiden, ist die Bandlücke - bei guten Leitern liegt das Fermi-Niveau von Elektronen innerhalb eines Bandes - Halbleiter haben eine kleine Bandlücke und gute Isolatoren haben große Bandlücken ...
Elektronen in Festkörpern liegen in Energiebändern, während sie in Atomen und Molekülen im Allgemeinen scharfe Niveaus haben.
Wenn Sie ein teilweise gefülltes Band haben, können sich Elektronen innerhalb eines Bandes neu organisieren und leicht einen Strom durchlassen, wenn eine Spannung angelegt wird.
Wenn Bänder vollständig gefüllt sind, ist keine Reorganisation möglich, aber über dem am höchsten gefüllten Band befindet sich ein leeres Band. - das gefüllte ist das Valenzband, das leere ist das Leitungsband. Wenn der Abstand zwischen diesen klein ist, können sich Elektronen aus der Valenz in die Leitung bewegen und dann können sich Elektronen in beiden Ebenen ein wenig neu organisieren, um den Stromfluss zu ermöglichen.
Wenn die Bandlücke groß ist, ist es schwierig, Elektronen nach oben zu bewegen und einen Strom zum Fließen zu bringen.
Eine empirische Antwort:
Metalle (häufig Kupfer) können als isolierende Trägerstrukturen in supraleitenden Magneten verwendet werden. Im Vergleich zu ~0 spezifischem Widerstand der Spule sorgt der spezifische Widerstand von Metallen für sehr gute Isolationseigenschaften!
Oder umgekehrt kann ein 50-Watt-Netzteil vom VandeGraaff-Typ 500 kV bei 100 uA ausgeben. Eine solche Versorgung hat einen Serieninnenwiderstand von 5e9 Ohm. Ein Millionen-Ohm-Widerstand, der über den Ausgang des Generators gelegt wird, wirkt also als Kurzschluss und zieht die 500 kV auf 0,02 Prozent herunter; 100V. Oder wir könnten einige lange Reihen von 1-Megohm-Widerständen als Drähte verwenden. Sie würden als ausgezeichnete Dirigenten dienen; selbst bei maximalem Versorgungsstrom wenig Einfluss auf die Ausgangsspannung von 500 kV. Für diese VandeGraaff-Maschine sind Objekte mit einem Widerstand unter ~500 Megaohm "gute Leiter".
Offensichtlich variiert die Definition von "Leiter" und "Isolator" je nach System, mit dem wir es zu tun haben. Als Faustregel gilt, dass die Linie, die die beiden trennt, ungefähr gleich dem Innenwiderstand aller vorhandenen "Netzteile" ist.
Wie so oft ist die Antwort darauf tatsächlich etwas kontextabhängig. Für viele alltägliche Zwecke ist die Antwort von Cort Ammon richtig, dass alles eine Frage des Grades ist.
Ein anderer erwähnenswerter Zusammenhang ist jedoch, wenn Physiker der kondensierten Materie davon sprechen, ob ein bestimmter Zustand der Materie ein "leitender" (oder "metallischer") Zustand oder ein "isolierender" Zustand ist. Dabei gibt es eine genaue Unterscheidung: Ein leitender Zustand ist ein Zustand, der lückenlos ist, d. h. bei gegen unendlich gehender Größe des Materials (der sogenannten „thermodynamischen Grenze“), die Energiedifferenz zwischen Grund- und erstem angeregten Zustand des Materials tendiert ebenfalls gegen Null*. Damit kann man verschiedene Aggregatzustände eindeutig klassifizieren und Übergänge zwischen ihnen studieren.
Für viele typische Materialien wird die Einteilung nach diesem Schema mit der „alltäglichen“ Einteilung übereinstimmen, aber grundsätzlich kann es Ausnahmen geben. Man könnte sich zum Beispiel ein Material vorstellen, das eine dauerhafte Lücke hat, aber diese Lücke ist viel kleiner als die Größenordnung thermischer Anregungen, sodass es bei Raumtemperatur effektiv leitfähig ist.
Siehe auch diesen Blogbeitrag für einige nette Einstiegsdetails zu dieser Klassifizierung.
*etwas genauer, das Spektrum in der Nähe des Grundzustands wird kontinuierlich. Die Unterscheidung wird bei Anderson-Isolatoren wichtig , die Isolatoren sind, aber ein punktförmiges diskretes Energiespektrum haben.
Emilio Pisanty
Pieter Geerkens
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