Opór elektryczny jest to stosunek napięcia panującego na końcach przewodnika do natężenia prądu przepływającego przez ten przewodnik. Opisuje go wzór:

gdzie:
U= napięcie,
I= natężenie
Jednostką oporu elektrycznego jest 1 om (
).
Opór elektryczny przewodnika zależy od materiału z jakiego został wykonany, jego długości i pola przekroju.

Prawo Ohma - mówi, że natężenie prądu elektrycznego płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do wartości napięcia elektrycznego na jego końcach i odwrotnie proporcjonalne do rezystancji przewodnika. Wyraża się wzorem:

Wpływ parametrów przewodnika na jego opór elektryczny:

Dla przewodników spełniających prawo Ohma opór elektryczny jest stały. W przypadku przewodników metalicznych, opór elektryczny rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Jak pokazuje doświadczenie, wzrost ten jest liniowy w szerokim zakresie temperatur. Inaczej niż ma to miejsce dla metali, w przypadku półprzewodników, wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się ich oporu.

Rezystywność (oporność właściwa, opór właściwy) - wielkość charakteryzująca przewodnictwo elektryczne materiału. Jej wartość jest różna dla różnych materiałów.

Jednostką rezystywności jest omometr (Ω·m).

Zależy od długości przewodnika (im dłuższy przewodnik, tym większy opór), pola przekroju poprzecznego (większe pole - mniejszy opór) oraz od rodzaju materiału, z którego wykonany jest przewodnik. Wartość oporu można obliczyć ze wzoru:



gdzie: ρ jest oporem właściwym, jego wartość zależy od rodzaju materiału, l - długość przewodnika, S - pole przekroju poprzecznego.
Wartość oporu zależy także od temperatury przewodnika. Wraz ze wzrostem temperatury rośnie energia drgań jonów dodatnich, co powoduje silniejsze zaburzenie swobodnego przepływu elektronów. Opór przewodników rośnie więc wraz ze wzrostem temperatury.

Konduktywność (przewodnictwo właściwe, przewodność elektryczna właściwa) to wielkość fizyczna charakteryzująca przewodnictwo elektryczne materiału. Konduktywność wiąże gęstość prądu elektrycznego w materiale z natężeniem pola elektrycznego powodującego przepływ tego prądu

,

gdzie:

 - gęstość prądu elektrycznego,

 - natężenie pola elektrycznego.

Jednostką przewodnictwa właściwego w układzie SI jest simens na metr (1 S/m)

MIKROSKOPOWY OBRAZ PRZEPŁYWU PRĄDU W PRZEWODNIKACH (METALACH)

 

Elektrony w metalach są w ciągłym ruchu, gdy nie ma zewnętrznego pola elektrycznego ruch ten jest nieuporządkowany i brak jest wypadkowego prądu.

 

Gdy przewodnik znajdzie się w polu elektrycznym do chaotycznego ruchu dodaje się skorelowany ruch wszystkich elektronów z prędkością unoszenia (dryfu) - mówimy ze płynie prąd elektryczny.

Prędkość dryfu jest znacznie mniejsza od prędkości ruchu przypadkowego (np. dla miedzi v_d = 10^-4 - 10^-5 m/s, v_ch = 10⁶ m/s)

Izolatory są bardzo złymi przewodnikami. Przewodniki mają bardzo mały opór właściwy rzędu 10^-8-10^-6
. Opór właściwy półprzewodników mieści się w bardzo szerokich granicach od 10^-7 do 10⁸
, lecz nie sama wartość oporu właściwego jest podstawą klasyfikacji. Istotnym czynnikiem jest temperaturowa zależność oporu elektrycznego: w przewodnikach opór rośnie z temperaturą, a w półprzewodnikach - na odwrót, opór maleje wraz ze wzrostem temperatury. Poszczególne grupy różnią się mechanizmem przewodzenia prądu. W metalach, w których atomy są zlokalizowane w sieci krystalicznej, zewnętrzne elektrony są zupełnie wolne i mogą poruszać się swobodnie w całej objętości kryształu - metalu. W półprzewodnikach zewnętrzne elektrony są słabo związane z atomami zlokalizowanymi w sieci, stąd różne czynniki zewnętrzne mogą je uwolnić, a uwolnione elektrony mogą być nośnikami prądu. Rozpiętość zmienności oporu półprzewodników wynosi aż 15 rzędów wielkości, stąd i mechanizmy przewodzenia są bardzo zróżnicowane.

Teoria pasmowa ciał stałych - opisuje zmianę poziomów energetycznych atomów lub cząstek w przypadku utworzenia przez nich struktury krystalicznej. W swobodnych atomach elektrony nie mogą mieć dowolnych wartości energii lecz przyjmują niektóre wartości dozwolone przez reguły kwantowe, tzn. że poziomy energetyczne są oddzielone od siebie dość szerokimi odstępami o wzbronionych wartościach energii. Często energetyczne poziomy dozwolone przedstawiamy za pomocą poziomych kresek. Osią rzędnych jest energia. Położenie każdej kreski oznacza energię danego stanu. Odstępy między kreskami odpowiadają wzbronionym wartościom energii.

a) b)

Model pasmowy : a) półprzewodnika, b) przewodnika.

Półprzewodnictwo samoistne.

Czysty, zbliżony do idealnego kryształ półprzewodnika wykazuje przewodnictwo samoistne. Schemat pasm energetycznych półprzewodnictwa samoistnego w temp. 0 K przewodnictwo jest równe zeru, wszystkie stany w paśmie walencyjnym są zapełnione i wszystkie stany w paśmie przewodnictwa są puste. Gdy rośnie temperatura, przewodnictwo również wzrasta, gdyż elektrony są termicznie wzbudzone do pasma przewodnictwa. (rys.1a.)

Przewodnictwo domieszkowe.

Kryształ rzeczywisty różni się od idealnego tym, że występują w nim centra domieszkowe tzw. defekty punktowe. Centra domieszkowe mogą być kilku typów charakteryzujących się:

występowaniem obcych atomów, odstępstwami od składu stechiometrycznego (pewnych atomów może być więcej a innych mniej), pustymi węzłami w sieci krystalicznej, dodatkowymi atomami lub jonami w obszarach międzywęzłowych, możliwe są też defekty liniowe lub śrubowe, tzw. dyslokacje.

Przewodnik - to substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy.

Półprzewodnik - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie bądź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków.

Półprzewodniki dzielimy na:

• Samoistne - których materiał jest idealnie czysty, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej

• Domieszkowane - to takie, których siatkę krystaliczną wprowadza się odpowiednią ilość innych pierwiastków trój lub pięciowartościowych. Dzielimy je na półprzewodniki typu:

„n”- domieszkami są pierwiastki pięciowartościowe np. fosfor. Półprzewodniki tego typu maja wolne elektrony, nazywamy je donorami

„p” - domieszkami są pierwiastki trójwartościowe np. bor, glin. Półprzewodniki tego typu mają tzw. dziury czyli miejsca na elektron, nazywamy je akceptorami.

Dielektryki - czyli izolatory materiał, w którym bardzo słabo przewodzony jest prąd elektryczny. Może to być rezultatem niskiej koncentracji ładunków swobodnych, niskiej ich ruchliwości, lub obu tych czynników równocześnie.

---