Электрическое сопротивление того или иного элемента электрической цепи, а значит, и вещества, из которого этот элемент сделан, зависит от количества свободных электрических зарядов в нем. Давно все вещества по их электрическим свойствам разделили на две группы: проводники (металлы, целый ряд растворов, газы в определенном состоянии) и изоляторы, или диэлектрики (стекло, резина, дерево и масса других веществ). Такое деление не отражает многих сложных процессов, с которыми связано появление свободных электрических зарядов. Рассматривая атом в упрощенном виде, попытаемся узнать, чем проводники отличаются от изоляторов.
Главная особенность всякого твердого проводника состоит в том, что у огромного числа его атомов электроны убежали с внешних орбит и гуляют в межатомном пространстве. Обычно электроны легче всего срываются с внешней орбиты в том случае, когда их на этой орбите мало. У атомов таких прекрасных проводников, как медь и серебро, на внешней орбите всего по одному электрону, у цинка и ртути – по два, у атомов алюминия – три электрона.
Атомы изолятора, напротив, очень устойчивы. Электроны в них прочно связаны с ядром и своих орбит не покидают. Хотя бывает, что и в изоляторе какой‑нибудь электрон сорвется со своей орбиты. В разных изоляторах среднее число сорвавшихся электронов неодинаково, а идеальных изоляторов вообще нет.
Выскакивание электронов из атома – это результат его тепловых колебаний. Чем выше температура, тем энергичнее колеблется атом на своем месте в кристаллической решетке, тем больше вероятность выскакивания его электронов с внешней орбиты. Лишь при температуре абсолютного нуля (–273,2 °C) тепловые колебания атомов полностью прекращаются, и в любом изоляторе вообще не оказывается свободных зарядов.
Удельное сопротивление (это физическая величина, которая характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока.) характеризует изоляционные свойства материала, дает представление о наличии в нем свободных зарядов. Чем меньше свободных зарядов в том или ином веществе, тем хуже оно проводит электрический ток, или, если говорить об этом другими словами, тем больше удельное сопротивление вещества.
В арсенале природы имеются вещества с самым различным значением удельного сопротивления – от миллиарда ом до миллиардных долей ома.
Их делили на две группы, граница между ними проходила где‑то в районе удельного сопротивления 0,01 –100 ом·см. Все вещества с большим сопротивлением относили к изоляторам, а с меньшим – к проводникам.
Потом выделили в имеющемся «наборе» промежуточную группу веществ с удельным сопротивлением от 0,0001 ом‑см до 10 000 000 ом·см. Эти вещества и получили название полупроводников, хотя с таким же успехом их можно было назвать полуизоляторами.