絶縁体、導体、半導体：種類、形状、仕組み

June 28, 2021
にその他

絶縁体の定義

クイックリード公演

1.絶縁体の定義

2.絶縁体フォーム

2.1.1. 固体

2.2.2. 液体

2.3.3. ガス

3.絶縁体材料

3.1.Yクラス

3.2.クラスA

3.3.クラスE

3.4.クラスB

3.5.クラスF

3.6.Hクラス

3.7.クラスC

4.指揮者の定義（指揮者）

4.1.導体特性

4.2.導体材料基準

4.3.導体の材料特性：

4.4.さまざまな導体材料

5.半導体の定義

5.1.半導体の基本原理

5.2.半導体原子配列

5.3.半導体基材

6.半導体の種類

6.1.真性半導体

6.2.p。タイプの半導体

6.3.半導体のしくみ

6.4.これを共有：

絶縁体は、電荷を伝達できない、または伝達しにくい材料であり、電流を絶縁できるという性質を持っています。電気抵抗（抵抗）が非常に大きい。

原子の配置は、エネルギーギャップが非常に大きいため、価電子が価電子帯から伝導帯に移動するのが難しいようなものです。価電子帯から伝導帯への電子の移動がある場合、言い換えれば、絶縁破壊電圧が発生します。

絶縁体フォーム

オブジェクトの一般的な状態と同様に、絶縁シールには同様の形式があります。

1. 固体

ソリッドは、グループによって区別されます。つまり、次のとおりです。

a）鉱山資材

大理石

品質はその密度と摩擦によって決まります。密度が高く、滑らかであるほど、吸水率は低くなります。壊れやすく重いため、今ではあまり使われていません。

アスベスト

アスベストは繊維質で、丈夫ではなく、壊れやすいものです。良い絶縁体ではありません。その特徴は、燃えないので、高熱に耐えることができるということです。電気アイロン、電気ストーブ、その他の暖房機器などの家電製品に広く使用されています。

雲母

技術データ：電気絶縁と機械的強度も非常に高く、弾力性があります。高い耐熱性（数百度ではない）と優れた耐水性。非常に軽く、透明（透明）です。電気アイロン、電気ストーブ、その他の暖房機器などの家電製品に広く使用されています。

ミカナイト

ミカナイトは、素材の形状や組成を変えた雲母です。やや濃い。一般的に整流子で使用されます。

Micafolium

ミカナイトの一種で、薄い紙の層の上に使用される材料として。ヒーターで曲げやすい。通常、高電圧電気機械の絶縁体としてコイル状のワイヤーまたはロッドを包むために使用されます。

ミカレック

基本素材はガラスとプラスチックを使用しています。マイカパウダーはフィラーです。機械的強度が高く、金属（水銀）整流器、無線機器、電力によく使用されます。ミカレックは最高のマイカなので、絶縁体として必要な要件を満たすことができます。

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b）繊維材料

実はこの素材は吸水性が高いので良くありません。いくつかの例：

実際には、絶縁体としてのみ使用されるのではなく、ケーブルフィラー、特にアースケーブルとして使用される可能性が高くなります。

繊維

さまざまなパターン、サイズ、品質のリボンやファブリックに織られた糸から。繊維材料は、電気機械のワイヤーを巻くための絶縁体、バインダーなどとして電界で使用されます。液体を吸収するため、絶縁性を向上させるために、絶縁ラッカー液にコーティングまたは浸漬します。

論文

紙はアルカリを含む絶縁材料であり、価格が高い。色は黄色または薄茶色。紙の強度は含水率によって異なります。これを克服するために、紙は絶縁ラッカーでコーティングされています。一般的に、ワイヤーコイル、コイル、ケーブル絶縁、および紙コンデンサで使用されます。通常、一定の厚みがあります。

プレスパン

紙に比べてプレスパンが密集しているため、吸水量が少なくなります。

木材

昔は電柱によく使われていました。木材は生物学的要因により損傷を受ける可能性があるため、長持ちするため、最初に木材を保存する必要があります。木材はまた、水分含有量を減らすことができるように圧縮する必要があります。

c）ガラスとセラミック

ガラス

それは電気の良い絶縁体ですが、非常に壊れやすいです。通常、白熱電球の製造に使用されます。

セラミック

セラミックは高い絶縁力を持っています。通常、磁器とステアタイトになります。

ステアタイト

スイッチとパンクボックスの内側。通常、電気加熱装置に隣接して曲がることができる接続ワイヤを絶縁するためのビーズの製造も行います。

磁器

機械的強度が非常に大きいため、絶縁の重要な材料です。大きな圧縮力に耐えなければならない電気機器の絶縁部品の製造には、磁器材料が非常に優れています。表面のエナメル質のため、水は吸収できません。

d）プラスチック

プラスチック材料の優れた特性には、軽量、低熱伝導率、耐水性、および高絶縁力が含まれます。より高温の材料で使用するには、プラスチックは良くありません。プラスチックには次の2種類があります。

熱可塑性プラスチック

60度の温度で柔らかくなっています。溶けるまで加熱しても化学構造は変わりません。

熱硬化性プラスチック。

この材料は、液化プロセスを経て成形され、化学構造が変化するため、加熱しても軟化することはありません。

e）ゴムとエボナイト

ゴム

弾力性があり、衝突に耐えるのに便利です。電気伝導の絶縁体、ケーブルシューを絶縁するためのゴムパイプの使用、およびケーブルの巻き付けとして使用されます。

エボナイト

沸騰したお湯で曲げたり、やすりをかけたり、穴を開けたり、回転させたりすることができます。耐酸性があり、アキュムレータバスとして使用されます。水を吸収できません。暑さに耐えられない。

f）準拠材料

キャンドルとパラフィン

溶けやすく、吸水しない性質があり、結果が豊富で、融点が比較的低くても電気絶縁に有用な材料のひとつです。通常、コンデンサまたは弱電流で使用されます。

2. 液体

変圧器油

電線の巻線による変圧器の冷却剤として必要です。冷却しないと、コア、巻線、および特定の部分の絶縁が損傷します。

ケーブルオイル

一般的に濃縮され、濃縮物に加えるために樹脂と混合することができます。電源ケーブル、アースケーブル、特に高電圧ケーブルの紙の絶縁体を圧縮するために使用されます。

3. ガス

窒素

使用するケーブルの絶縁がまだ良好かどうかを判断するために、充電/配電ケーブルチャネルのコントローラーとして使用されます。特に、リード線の錆、引っかき傷、ひび割れが頻繁に発生するアース線では。

水素

水素は、タービン発電機と同期コンデンサーの冷却剤として使用されます。クーラーとしては、熱と電気の絶縁体でもあります。

二酸化炭素

タービン発電機で使用されます。消火性があります。爆発の原因となる水素と空気の混合の安全性として。

絶縁体材料

最大作動温度による断熱材の分類：

クラス	最高作動温度
Y	90°C
A	105°C
E	120°C
B	130°C
F	155°C
H	180°C
C	180°C以上

Yクラス

クラスYに分類できるのは、綿、天然シルク、合成ウール、レーヨン、ポリアミド繊維、紙、プレスパン、木材、ポリアライト、ポリエチレン、ポリビニル、ゴムです。

クラスA

クラスAに分類できるのは、ワニス、アスファルト、変圧器油、ワニスとポリアミドを混合したエナメルに浸したクラスYの繊維状材料です。

クラスE

クラスEに分類できるのは、正式なポリビニル、ポリウレタン、エポキシ樹脂のバインダーを使用したエナメル線の絶縁です。およびセルロースフィラー、ペルティナクスおよびテキスタイルライト、トリアセテートフィルム、ポリエチレンテレフタレートファイバーフィルムを含む他の同様のバインダー。

クラスB

クラスBに分類できるのは、ワニスまたはコンパウンド、ビチューメン、シルラック、ベークライトなどで染色または接着された非有機材料（雲母、ガラス、繊維、アスベスト）です。

クラスF

クラスFに分類できるのは、高耐熱エポキシ、ポリウレタン、またはワニスで染色および接着された非有機材料です。

Hクラス

クラスHに分類できるのは次のとおりです。雲母、アスベストの基本成分を含むすべての組成材料繊維材料（紙、綿、および等）。このクラスには、シリコーンゴムと純粋なポリアミドワイヤーエナメルが含まれます。

クラスC

クラスCに分類できるのは次のとおりです。染色されておらず、物質に結合されていない無機材料雲母、耐熱ミカナイト（無機バインダー使用）、マイカレックス、ガラスなどの有機材料セラミック。クラスCに属する唯一の有機材料、すなわちポリエトラフルオロエチリン（テフロン）。

指揮者の定義（指揮者）

導体は電気の良い導体です。この材料は、大きな導電率と小さな電気抵抗を持っています。導電体は電流を伝導するために使用されます。遭遇する電動工具にあるケーブル、コイル/巻線の機能に注意してください。送配電ラインにもあります。電気工学では、最も一般的な導体は銅とアルミニウムです。

導体に使用する材料は、次の要件を満たしている必要があります。

導電率はかなり良いです。
その機械的強度（引張強度）はかなり高いです。
膨張係数が小さい。
弾性率（弾性率）がかなり大きい

導体として一般的に使用される材料は次のとおりです。

銅、アルミニウム、鉄などの一般的な金属。
合金金属（合金）。銅またはアルミニウムからの金属で、他の種類の金属から一定量混合され、機械的強度を高めるために使用されます。
合金（複合材料）、つまり、圧縮、製錬（製錬）、または溶接（溶接）によって組み合わされた2種類以上の金属。

構造による導体の分類：

断面が丸い単線（単線）。
標準のワイヤは、7〜61本の単線で構成されており、通常は層状で同心です。
中空線（中空導体）は、外径を大きくするために作られた中空線です。

導体特性

導体特性には2つのタイプがあります。

導体の引張強度を表す導体の物理的状態を示す機械的特性（SPLN 41-8：1981から、周囲温度30°Cの70mm2シースAAAC-S導体の場合、電流を伝導する導体の最大容量は275 A）です。
電気的特性。導体が電流を伝導する能力を示します（SPLN 41-10：1991から周囲温度30°Cの70mm2シースAAAC-S導体の場合、電流を伝導する導体の最大能力は275です。 A）。

導体材料基準

導電性金属の導電率は、合金元素、不純物、または不純物の影響を強く受けます。金属結晶の欠陥。3つすべてが製造プロセスで主要な役割を果たします。送信者自体。導電率に影響を与えることに加えて、ガイド要素は他の機械的および物理的特性に影響を与えます。純金属は、純度の低い金属よりも電気伝導率が高くなります。ただし、純金属の機械的強度は低いです。
電力導体は、高い導電性を必要とすることに加えて、導体自体の使用に適合した特定の機械的および物理的特性も必要とします。

技術的な問題に加えて、導体としての金属の使用は、地域社会における金属の経済的価値によっても非常に決定されます。したがって、使用する金属の技術的価値と経済的価値の間の妥協が絶対に必要です。使用する金属を決定するのは、最も安価な妥協値です。現時点では、銅とアルミニウムの金属は、最も安価な経済的な技術的妥協値を満たす他の種類の導体金属の中で選択される金属です。

表1の導電性金属の種類から。上記では、銅は電界で最も長く使用されている導体です。 1913年、国際電気化学委員会（IEC）は、国際軟銅線標準として知られるようになった銅線の導電率を示します（IACS）。規格では、焼鈍工程で軟化した銅線は、長さ1m、断面積1mm2で、室温で0.017241オーム以下の電気抵抗を持っています。 20^oCは、100％IACS電気伝導率を持っていると宣言されています。

しかし、今日達成された銅製造プロセスの技術的進歩により、ワイヤー中の銅の純度レベルが導体は1913年よりもはるかに高く、今日の銅線の電気伝導率は上に達する可能性があります 100％IACS。

アルミニウム線の場合、電気伝導率は通常、標準の銅線と比較されます。タイプECグレードまたはAA1350（*）シリーズのアルミニウム線のASTM B 609規格によると、導電率は、硬度または焼き戻し条件に応じて、61.0〜61.8％IACSの範囲です。 AA 6201シリーズアルミニウム合金の導線については、ASTM B 3988規格に従って、導電率要件は52.5％IACS以上である必要があります。 6201導線は通常、全アルミニウム合金導体（AAAC）タイプのケーブル材料に使用されます。

上記の電気伝導率などの電気特性の要件に加えて、必要なその他の品質基準は次のとおりです。また、以下の特性または条件の全部または一部をカバーする必要があります。あれは：

a。化学組成。

b。引張強度（引張強度）や引張ひずみ（伸び）などの引張特性。

曲げ特性
許容直径と変動。
ワイヤーの表面状態に欠陥などがあってはなりません。

導体の材料特性：

電気材料には、次のような重要な特性があります。

電気伝導性
抵抗温度係数
熱伝導率
引張応力強度、および
熱電気モーターパワーの出現

a）電気伝導性

導体を流れる電流は、常に導体自体からの抵抗を受けます。抵抗の量は材料によって異なります。 20の温度で1mm2の断面積でのメートルあたりの抵抗⁰Cは抵抗率と呼ばれます。材料の抵抗率の量は、次の式を使用して計算できます。

R = l / A

どこ：

R：導体の抵抗、単位オーム（Ω）

：材料タイプの抵抗、単位ohm.mm2 / m

l：導体の長さ、単位はメートル（m）

A：導線の断面積、単位mm²

b）バリア温度係数

材料では、温度が変化すると体積が変化することはすでにわかっています。材料は、温度が上がると膨張し、温度が下がると収縮します。温度変化による抵抗の変化量は、次の式で知ることができます。

R = R₀ {1 +（t – t₀)},

どこ：

R：温度変化後の大きな抵抗

R0：温度変化が発生する前の初期抵抗

Q：最終温度温度、 ⁰C

t₀：初期温度、 ⁰C

：抵抗温度係数

各種材料の比重、比重、融点の値を表6.1に示します。

材料名

囚人タイプ

比重

融点

銀。

銅

コバルト

ゴールド

アルミニウム

モリブデン

Wolfram

亜鉛

真鍮

ニッケル

白金

ナイキライン

白い錫

鋼

バナジウム

ビスマス

マンガン

鉛

ジュラルミン

マンガニン

絶え間ない

水星

0,016.

0,0175

0,022

0,03

0,05

0,06

0,07

0,079

0,1

0,12

0,13

0,2

0,21

0,22

0,48

0,5

0,958

10,5.

8,9

8,42

19,3

2,56

10,2

19,1

7,1

8,7

8,9

21,5

–

7,3

7,8

5,5

9,85

7,4

11,35

2,8

–

8,9

13,56

960.

1083

1480

1063

660

2620

3400

420

1000

1455

1774

–

232

1535

1720

271

1260

330

–

-38,9

最も広く使用されている導体材料は銅です。銅は銀に次ぐ最高の導体であり、どこでも広く入手できるため価格が安いためです。最近は導体としてアルミや鋼が広く使われていますが、抵抗率はかなり大きいですが、これは非常に豊富で価格も安くなっています。

c）熱伝導率

熱伝導率は、単位時間あたりに材料の層を通過する熱量を示します。 Kcal /時間の単位で計算されます ⁰C。特に電気機械およびその機器の使用において考慮されます。一般に、金属は熱伝導率が高く、非金属は熱伝導率が低くなります。

d）抗張力

材料の機械的特性は、特に地上輸送にとって非常に重要です。したがって、この目的で使用される材料は、その強度で知られている必要があります。特に高電圧の配電での使用に関して。導体は、固体、液体、または気体のいずれかです。固体の場合、一般に金属、電解質、液体金属（水銀）が導体です液体、およびイオン化された空気と希ガス（ネオン）、クリプトンなど）ガス。

e）熱電気モーター動力の生成

この特性は、2つの異なる金属で作られた2つの接触点にとって非常に重要です。回路では、温度が変化すると、電流がそれ自体の熱電気モーター電力を発生させます温度。

熱電気モーターの出力は高くなる可能性があるため、非常に小さい場合でも電流と電圧の設定がずれる可能性があります。発生する電圧差の大きさは、使用する2つの材料の特性に依存し、温度差に比例します。温度差によって生成される電気モーターパワーは、熱電気モーターパワーと呼ばれます。

さまざまな導体材料

電気工学における導体の機能は、電気エネルギーを分配することです。これは、電気エネルギーをあるポイントから別のポイントに分配することです。一般的に使用される導体は次のとおりです。

銅とアルミニウム。現存する指揮者のいくつかとそれらの関連性は次のとおりです。

アルミニウム

純アルミニウムの密度は2.7g / cm³、融点は658℃で非腐食性です。アルミニウムの導電率は35 m / ohm.mm2、つまり銅の導電率の約61.4％です。アルミニウムは柔らかな形状で、引張強度はわずか9 km / mm2です。このため、寸法が十分に大きい導体としてアルミニウムを使用する場合は、常に鋼またはアルミニウム合金で補強します。このような使用法は、たとえば次のとおりです。ACSR（Aluminum Conductor Steel Reinforced）。アルミニウムと鋼の導体構造を図6.1に示します。

アルミニウムのもう1つの用途はバスター用であり、経済性などの特定の理由により、ACSR –OWなどの絶縁アルミニウム導体が製造されます。 ASA（American Standard Association）によると、アルミニウム合金は次の表のようにマークされています。

表6.1アルミニウム合金のマーキング

材料名

資金調達

アルミニウム（最低99％の純度）

合金の大部分は次のもので構成されています。

銅

マンガン

シリコーン

マグネシウム

マグネシウムとシリコン

亜鉛

等

未使用シリーズ

1xxx。

2xxx

3xxx

4xxx

5xxx

6xxx

7xxx

8xxx

9xxx

銅は57mmの高い電気伝導率を持っています²/ m at 20 ^oC。銅の温度係数0.004 / ^oC。温度に対する銅の抵抗率曲線は線形ではありません。

電気工学における銅の最も重要な用途は、導体としてです。例：ワイヤー絶縁（NYA、NYAF）、ケーブル（NYM、NYY、NYFGbY）、バスバー、DCエンジンラメル、ACエンジンのドラッグリング、および等銅は耐食性と耐酸化性があります。 20での純銅の密度⁰Cは8.96g / cm3、凝固点は1083⁰C。銅の引張強度は、ロッドの引張強度である20〜40 kg / mm2の範囲で高くはありません。銅棒の断面が縮小されて絶縁電線として使用された後、または銅が上昇します。ケーブル。プーラーを使用して銅棒の断面をワイヤーに縮小する方法。

銅棒の断面積を減らすために、引張石死ぬ）サイズが異なるほど、シャープナーの断面積は小さくなります。必要なワイヤー断面が小さいほど、使用される引張石のステップが多くなります。十分に大きな直径のワイヤーを製造するための引張石材は炭化タングステンであり、小さな直径のワイヤーを製造するための引張石材はダイヤモンドです。撤退中は長さが長くなります。このため、プルストーンの後ろに取り付けられたプルホイールの直径は丸いかそれ以上です。

銅棒をワイヤーに引っ張った後、銅はより延性になります。この状態は、絶縁電線またはケーブルとしての使用には適していません。銅が再び柔らかくなるためには、加熱する必要があります。ただし、回収プロセス中は酸化が起こらないように注意する必要があります。加熱プロセスが完了した後、絶縁されたワイヤーまたはケーブルを作成するプロセスを開始できます。

断面積が16mm2未満の導体には中実導体が使用され、断面積が16mm2を超える導体にはツイストファイバ導体が使用されます。絶縁電線に絶縁を提供します。

コイルAからのワイヤーは押出機Bを通して引っ張られます。次に、Cから出てくるPVCは冷却槽Dで冷却されます。 Dのうち、絶縁ワイヤはスパークテストEによってテストされ、プーラーFで引っ張られ、ローラーGで巻き上げられます。

鋼は、炭素を混合した鉄でできた金属です。炭素混合物に基づいて、鋼は3つのタイプに分類されます。すなわち、低炭素鋼（ 0〜25％）、中程度の炭素含有量の鋼（0.25〜0.55 %%）、および高炭素含有量の鋼（0.55以上） %). 鋼の低い導電率にもかかわらず、すなわち：

しかし、それは伝送導体、すなわちACSRで使用され、この場合の鋼の機能は、亜鉛で亜鉛メッキされた後にアルミニウム導体を機械的に強化することです。 ACSRで鋼を使用する利点は、アルミニウムの使用を節約できることです。上記の考察に基づいて、図6.5に示すように、バイメタル導体（安全性の点で熱バイメタルとは異なります）が作成されます。

バイメタル導体を使用する利点は次のとおりです。

交流では、電流が導体の外側を通過する傾向があります（表皮効果）。
鋼を銅でコーティングすることにより、導体としての鋼を腐食から保護します。導線以外のバイメタル導体の使用は、バスバー、接続ナイフなどに使用されます。

Wolfram

この金属は灰色がかった白色で、密度は20 g / cm3、融点は3410です。⁰C、沸点5900⁰C、？ = 4.4.10–6あたり ⁰ C、抵抗率0.055？ .mm2 / m。タングステンは、磁気的または化学的プロセスによって分離された鉱山から得られます。 700の温度でのタングステン酸（H2WO4）の還元反応で⁰Cはタングステン粉末を得た。次に、タングステン粉末は、高圧と高温（2000 atm、1600 atm）を使用する粉末冶金と呼ばれるプロセスによってインゴットに成形されます。⁰C）酸化なし。引張り機を使用することにより、タングステン棒の直径を0.01mmに減らすことができます（引張りは高温状態で行われます）。とりわけ、電気工学におけるウォルフラムの使用：フィラメント（白熱灯、ハロゲンランプ、二重ランプ）、電極、電子管など。

モリブデン

この金属の特性は、それが得られる方法と同様に、タングステンに似ています。モリブデンの密度は10.2g / cm3、融点は2620です。⁰C、沸点3700⁰C、？ = 53. 1つあたり10〜7 ⁰C、抵抗率は0.048？ .mm2 / m、温度係数0.0047 / ⁰ C。とりわけモリブデンの使用：モリブデンはガラスと強い層を形成することができるので、X線管、真空管。強靭で耐食性のある高温部品に使用される金属合金として。

白金

プラチナは重金属で、灰色がかった白色で、非腐食性で、溶けにくく、ほとんどの化学物質に耐性があります。密度21.4g / cm3、融点1775⁰C、沸点4530⁰C、？ = 9. 1個あたり10〜6個 ⁰ C、抵抗率は0.1？ .mm2 / m、温度係数0.00307 / ⁰ C。プラチナは細いフィラメントと細いロッドに成形できます。

とりわけ、1300を超える高温を必要とするオーブンまたはバーナーに関する実験室の発熱体のための電気工学におけるプラチナの使用⁰C、白金-ロジウム熱電対用（1600以上で動作）⁰C）、直径+1ミクロンのプラチナは、可動部品を電気メーターやその他の敏感な機器に吊るすため、およびポテンショメーターの材料に使用されます。以下は、導電性材料の定数の表です。

水星

水銀は、室温で液体である唯一の金属です。抵抗率は0.95？ .mm2 / m、温度係数0.00027 / ⁰ C。空気中で加熱すると、水銀は非常に酸化しやすくなります。水銀とその水銀蒸気の特別な混合物は有毒です。水銀の用途には、電子管充填ガス、水銀スイッチのコネクタ、拡散ポンプ内の液体、誘電体材料の電気的特性を測定するための機器の電極固体。電気工学でも広く使用されている他のローガンには、タンタルとニオブがあります。

タンタルとニオブをアルミニウムと組み合わせて、電解コンデンサとして広く使用されています。

高抵抗率材料

大きな抵抗を必要とする機器に使用される高抵抗率の材料で、電流を流すと大きな電圧降下が発生します。高抵抗率材料の使用例には、電気ヒーター、レオスタット、抵抗器などがあります。これらの材料は、低い温度係数を持っている必要があります。発熱体の場合、高温で長時間酸化や溶融が発生しないようにする必要があります。

抵抗率の高い材料には、コンスタンタン、マンガン、ニッケル、フェクラルがあり、その組成を表6.3に示します。

表6.3高抵抗率材料

合金名

組成。

(%)

質量。

タイプ

抵抗率。

? .mm2 / m

温度係数。

1つあたり10〜5 ⁰ C

絶え間ない。

クロメル

マンガニン

ニクロム

Fechral

ニッケル

60 Cu、40 Ni

0.7 Mn、0.6 Ni、23-27 Cr、

4.5-6.5 Al + Fe

86 Cu、12 Mn、2 Ni

1.5 Mn、75-78 Ni、20-23

Cr、残りのFe

0.7 Mn、0.6 Ni、12-15 Cr、

3.5-5 Al、残りのFe

54 Cu、26 Ni、20 Zn

8,9.

6,9 – 7,3

8,4

8,4 – 8,5

7,1 – 7,5

–

0,48 – 0,52.

1,3 – 1,5

0,42 – 0,48

1 – 1,1

1,2 – 1,35

0,4 – 0,47

5,25.

6,5

5,3

10 – 20

10 – 12

鉛の密度は11.4g / cm3で、わずかに柔らかく、327で溶けます。⁰C、沸点1560⁰C、灰色で可鍛性が高く、耐食性のある材料で、導電率は4.5 m /？ .mm2。電気工学における鉛の使用には、原子力産業での保護として使用されることに加えて、アキュムレータセル、接地ケーブルシースが含まれます。鉛は振動の影響に耐性がなく、残留酸に容易に結合します。アースケーブルプロテクターとして使用する場合、その場所に植える場合は、追加の保護が必要です。湿った石灰、海水、湿ったセメントは鉛と反応する可能性があります。そのため、アース線シールドとしての鉛に加えて、より滑らかで、より強く、より振動に強い結晶構造を持つ鉛の合金も使用されています。しかし、この材料はより腐食しやすく、毒素を含んでいます。

半導体の定義

半導体は、絶縁体と導体の間にある電気伝導率を持つ材料です。半導体は非常に低い温度で絶縁体として機能します。

半導体の基本原理

半導体は、導体と絶縁体の間に伝導特性があります。半導体材料の例は、シリコン、ゲルマニウム、硫化鉛、ヒ化ガリウム、インジウムアンティミ、およびセレンです。半導体特性を持つ材料は、導体と絶縁体の間の比抵抗値（ρ）が10です。^-6 – 10⁴オーム。

10の導電率フィールド^-6 – 10⁴オーム^-2m^-2 6eV未満のエネルギーギャップで。エネルギーギャップは、電子が共有結合を切断して原子価経路から伝導経路に移動できるようにするために必要なエネルギーです。半導体ベースの材料は、次の3つのタイプに分類できます。

三価は、価電子の数が3個の原子を持ちます。たとえば、ホウ素（B）、ガリウム（Ga）、インジウム（In）です。
-四価、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）などの価電子数が4個の原子を持っています。
5価で、5つの価電子を持つ原子があります。たとえば、リン（P）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）です。

半導体原子配列

たとえば、広く知られている半導体材料は、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ガリウムヒ素（GaAs）です。ゲルマニウムは、かつて半導体部品を製造するための唯一の既知の材料でした。しかし最近、自然からこの材料を抽出する方法を見つけた後、シリコンが人気を博しました。シリコンは、酸素（O）に次いで地球上で2番目に豊富な材料です。₂).

シリコン結晶の原子構造、1つの原子核（原子核）はそれぞれ4つの価電子を持っています。安定した原子核結合は、それが8つの電子に囲まれている場合、つまり原子内の4つの電子です。結晶は非常に低い温度で隣接する原子のイオンと共有結合を形成します（0°K）。シリコンの原子構造は、次の図のように視覚化されます。

共有結合は、電子が1つの原子核から別の原子核に移動するのを防ぎます。このような状況では、電気を通すために移動できる電子がないため、半導体材料は絶縁体になります。室温では、熱エネルギーによって一部の共有結合が放出されるため、電子が結合から放出されます。しかし、取り除くことができるのはごく少量であり、優れた指揮者になることは不可能です。

物理学者、特に当時量子物理学を習得した人々は、この半導体材料をドーピングしようとしました。ドーピングは、電気を通すことができると期待される、ますます恒久的な自由価電子を取得することを目的としています。

半導体基材

半導体材料の調製

大量生産には、予測可能で信頼性の高い電子特性を備えた半導体が必要です。化学的純度レベル

欠陥の存在は、たとえ非常に小さな割合であっても、材料の特性に大きな影響を与える可能性があるため、必要な値は非常に高くなります。構造上の誤差のため、完成度の高い結晶も必要です結晶（転位、双晶、スタッククラッキングなど）は、材料。

結晶亀裂は、半導体デバイスの故障の主な原因です。結晶が大きいほど、必要な完成度を達成するのは難しくなります。現在の大量生産プロセスでは、直径4〜12インチ（±30 cm）の結晶インゴット（ベース材料）を使用し、シリンダーとして成長させてからウェーハにスライスします。

半導体デバイスを製造するには、高度な化学的純度と完全な結晶構造が必要であるため、初期の半導体材料を製造するための特別な方法が開発されました。高純度を達成するための技術には、チョクラルスキー法を使用した結晶成長が含まれます。純度をさらに向上させるために使用できる追加のステップは、ゾーン改善として知られています。ゾーン修復では、固体結晶の一部が液化されます。不純物は液化領域に集中する傾向がありますが、目的の材料は再結晶化するため、エラーの少ない、より純粋で結晶性の材料になります。

半導体体の種類とその用途

番号	半導体名	使用法
1	チチン酸バリウム（BaTi）	サーミスタ（PTC）
2	テルリドビスマス（Bi2 Te3）	熱電変換
3	硫化カドミウム（CdS）	光伝導セル
4	ガリウムヒ素（Ga As）	ダイオード、トランジスタ、レーザー、LED、ウェーブジェネレーター、マイクロ
5	ゲルマニウム（Ge）	ダイオードとトランジスタ
6	アンチモン化インジウム（Sb中）	磁気抵抗器、ピエゾ抵抗器検出器、赤外線放射
7	ヒ化インジウム（In As）	ピエゾ抵抗
8	シリコン（Si）	ダイオード、トランジスタ、IC
9	炭化ケイ素（Si Cb）	バリスタ
10	硫化亜鉛（Zn S）	電気照明装置
11	ゲルマニウムシリコン（Ge Si）	熱電発電
12	セレン（Se）	整流器
13	アルミニウムスチビウム（Al Sb）	照明ダイオード
14	ガリウムリン（Ga P）	照明ダイオード
15	インジウムリン（In P）	赤外線フィルター
16	酸化銅	整流器
17	鉛硫黄（Pb S）	細胞写真
18	鉛セレン（Pb Se）	細胞写真
19	インジウムアンチモン（Sb中）	赤外線検出器、赤外線フィルター、ホールジェネレーター

シリコンは周期表の元素で、記号はSi、原子番号は14で、地球上で2番目に豊富な元素です。形成される化合物は常磁性です。この化学元素は（Jons Jakob Berzelius 1923）によって発見されました。シリコンはほぼ25.7重量％です。通常、二酸化ケイ素（シリカ）とケイ酸塩の形で。シリコーンは光ファイバーの製造によく使用され、形成外科では患者の体の部分をシリコーンの形で充填するために使用されます。

半導体の種類

真性半導体

真性半導体は不純物のない純粋な半導体です。シリコンとゲルマニウムは、エレクトロニクスにおいて非常に重要な2種類の半導体です。どちらも周期表のIVA族に属し、4つの価電子を持っています。シリコンとゲルマニウムの結晶構造は四面体であり、各原子は隣接する原子と価電子を共有しています。

共有結合を切断するために必要なエネルギーは、シリコンで1.1 eV、ゲルマニウムで0.7eVです。室温（30⁰K）、多くの電子は結合から離れるのに十分なエネルギーを持っており、価電子帯から伝導帯に励起されて自由電子になります。電子を価電子帯から伝導帯に移動させるのに必要なエネルギー量は、禁制エネルギーと呼ばれます（エネルギーギャップ). 共有結合が切断されると、空孔または穴が発生します（穴). 空孔がある領域では正電荷が過剰になり、自由電子が占める領域では負電荷が過剰になります。これらの2つの電荷は、純粋な半導体の電気の流れに寄与します。別の共有結合からの価電子が穴を埋めると、穴が発生します別の場所で新しく、正電荷が古い穴から穴に移動するかのようです新着。

一般に「電流」と呼ばれるこの電荷の流れのプロセス ドリフト」は次のように書くことができます。「半導体の電気伝導は2つの粒子の存在の結果です。それぞれが正と負の電荷を持ち、フィールドの影響により反対方向に移動します電気"。これらの2つの電荷キャリアが存在するため、電流密度は導電率として表されます。正孔と電子の出現は同時に起こるため、純粋な半導体では、真性半導体で電子と正孔のペアを形成するために大量のエネルギーが必要になります。価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップによって決定される距離が遠いほど、電子を形成するために必要なエネルギーが大きくなります-キャリアとしての正孔。負荷。

不純物半導体

外因性半導体は、半導体の導電率を高めるために、半導体材料に特定の原子材料をドーピングまたはドーピングすることによってプロセスが行われる半導体です。外因性半導体には、。型半導体とセミコンデュクター型半導体の2種類があります。 n およびタイプの半導体 p.

半導体タイプ n

半導体タイプ n 純粋なシリコンに少量の5価の不純物原子を加えることで調製できます。これらの不純物（ドーパント）原子は5つの価電子を持っているため、事実上+ 5qの電荷を持っています。 5価の原子が結晶格子内のシリコン原子の位置を占める場合、4つの電子のみ完全な共有結合を形成できる価電子、そうでない電子を残すペアで。わずかな熱エネルギーで、これらの残りの電子は自由電子になり、電気伝導プロセスで電荷キャリアになる準備ができています。このドーピングプロセスから生じる材料は、タイプタイプ半導体と呼ばれます。n中性結晶から負の電荷キャリアを生成するためです。また、不純物原子は電子を供与するため、これらの不純物原子はドナー原子と呼ばれます。

半導体タイプ p

。型半導体と同じように n、半導体タイプ p 純粋な半導体に少量の3価の不純物原子を追加することで作成できます。例：純粋なシリコン。これらの不純物原子（ドーパント）は3つの価電子を持っているため、効果的に3つの共有結合しか形成できません。結晶格子内のシリコン原子の位置に3価の原子が存在すると、3つの結合が形成されます。完全な共有結合、呼ばれる不対シリコン原子に正電荷を残す穴（穴). このドーピングプロセスから生じる材料は、a型半導体と呼ばれます p. 不純物原子は電子を受け入れるため、不純物原子はアクセプター原子と呼ばれます。アクセプター).

半導体のしくみ

半導体の性能では、半導体がどのように機能するかの例としてトランジスタを取り上げます。

基本的に、トランジスタと真空管は同様の機能を持っています。どちらも電流の流れの量を調整します。半導体がどのように機能するかを理解するために、純水で満たされたガラスを考えてみましょう。導体のペアが挿入され、DC電圧が電解電圧のすぐ下（水の前）に印加された場合水素と酸素に変換されます）、水には電荷担体がないため、電流は流れません（電荷キャリア）。そのため、純水はアイソレーターと見なされます。それに少量の食塩を加えると、多数の移動キャリア（イオン）が形成されるため、伝導電流が流れ始めます。塩濃度を上げると伝導が増加しますが、それほどではありません。電荷担体が自由ではないため、食卓塩自体は非導体（絶縁体）です。

純粋なシリコン自体は絶縁体ですが、ドーピングと呼ばれるプロセスによってヒ素などの汚染物質が少量添加されると、その量はシリコン結晶のレイアウトを乱さないように十分に小さいヒ素は自由電子を提供し、その結果、電流伝導が発生します電気。これは、ヒ素の最外軌道に5つの価電子があるのに対し、シリコンには4つの価電子しかないためです。伝導は、（ヒ素からの過剰な電子によって）自由電荷キャリアが追加されたために発生します。この場合、n型シリコン（電荷キャリアは負に帯電した電子であるため、負の場合はn）が形成されています。

それとは別に、シリコンをホウ素と混合してp型半導体を作ることができます。ホウ素はその最も外側の軌道に3つの価電子しかないため、「正孔」と呼ばれる新しい電荷キャリアがシリコン結晶レイアウトに形成されます。

真空管では、フィラメントワイヤで加熱された陰極からの熱電子放出によって電荷キャリア（電子）が放出されます。したがって、真空管は正の電荷キャリア（穴）を作成できません。

同じ電荷を持つ電荷キャリアは互いに反発するので、他の力では、これらの電荷キャリアは材料に均等に分散されます半導体。しかし、p型半導体とn型半導体が単一のシリコンチップ上に作られているバイポーラトランジスタ（またはダイオード接合）では、これらの電荷キャリアは、反対の電荷に引き付けられるため、P-N接合（p型半導体とn型半導体の境界）に向かって移動する傾向があります。反対側から。

汚染物質の量（ドーピングレベル）の増加は、シリコン結晶のレイアウトが維持されている限り、半導体材料の導電性を増加させます。バイポーラトランジスタでは、エミッタ端子領域はベース端子よりも多くのドーピングがあります。エミッタとベースのドーピング比の比率は、トランジスタの電流利得特性を決定する多くの要因の1つです。

半導体に必要なドーピング量は非常に少なく、1億分の1の大きさであり、これが半導体の成功の鍵です。金属では、電荷キャリアの数が非常に多くなります。原子ごとに1つの電荷キャリア。

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