[科普中国]-导电类型

绝缘体概念

绝缘体是指在通常情况下不传导电流的物质。又称电介质。绝缘体的特点是分子中正负电荷束缚得很紧，可以自由移动的带电粒子极少，其电阻率很大，约为10～10Ω·m，所以一般情况下可以忽略在外电场作用下自由电荷移动所形成的宏观电流，而认为是不导电的物质。绝缘体可分为气态(如氢、氧、氮及一切在非电离状态下的气体)、液态(如纯水、油、漆及有机酸等)和固态(如玻璃、陶瓷、橡胶、纸、石英等)三类。固态的绝缘体又分为晶体和非晶体两种。实际的绝缘体并不是完全不导电的，在强电场作用下，绝缘体内部的正负电荷将会挣脱束缚，而成为自由电荷，绝缘性能遭到破坏，这种现象称为电介质的击穿。电介质材料所能承受的最大电场强度称为击穿场强。在绝缘体中，存在着束缚电荷，在外电场作用下，这种电荷将作微观位移，从而产生极化电荷，就是所谓电介质的极化。电介质按其物理性能可分为各向同性电介质和各向异性电介质两种。就极化机制可分为无极分子和有极分子两种。绝缘体在工程上大量用作电气绝缘材料、电容器的介质和特殊的电介质器件如压电晶体等。

原理绝缘体在某些外界条件，如加热、加高压等影响下，会被“击穿”，而转化为导体。在未被击穿之前，绝缘体也不是绝对不导电的物体。如果在绝缘材料两端施加电压，材料中将会出现微弱的电流。

绝缘材料中通常只有微量的自由电子，在未被击穿前参加导电的带电粒子主要是由热运动而离解出来的本征离子和杂质粒子。绝缘体的电学性质反映在电导、极化、损耗和击穿等过程中。

应用绝缘体通常用做电缆的外表覆层。事实上空气本身就是一种绝缘体，并不需要其他的物质进行绝缘。高压输电线就是通过空气绝缘的，因为使用固体（例如塑料）覆层并不实际。然而，导线相互接触可能造成短路和火灾。在同轴电缆中，中心的导体必须位于正中，以防止电磁波的反射。另外，任何高于60V的电压都会对人体造成电击或触电危险。使用绝缘体作为外表覆层可以防止这些问题。

在电子系统中，印刷电路板通常由环氧塑料和玻璃纤维制成，不导电的基板对铜导线层起支撑作用。在电子设备中，微小而精密的有效部件镶嵌在不导电的环氧树脂，酚醛树脂，玻璃或陶瓷涂覆层之中。

在诸如晶体管和集成电路等微电子元器件中，掺杂的硅材料通常是一种导体。但是通过在氧气环境加热，硅也可以很容易地转变为绝缘体。硅被氧化将得到石英，也叫二氧化硅。

在带有变压器和电容器的高压系统中，液态的绝缘的机油通常用来防止电弧放电的发生。在需要承受相当高的电压而不被电击穿的地方，人们用油替代空气进行绝缘。其他的绝缘方法包括使用陶瓷，玻璃，真空等，或者在导线相距很远时亦可使用空气作为绝缘。

涂覆玻璃绝缘子用于运行在恶劣环境下。

在变电站中, 应用RTV硅橡胶材料防止污闪已经超过30年了。最近, 世界各地的电力公司采用同样的补救措施解决由于线路绝缘子受重度污秽的影响而带来的运行问题。当前, 甚至倾向于在设计阶段规定采用硅橡胶涂层, 而不是随后应现场的需求再涂覆绝缘子以及处理相关的费用。虽然对这一解决方案的需求在明显扩大, 但是关于最佳的涂层材料、性能和预期使用寿命仍然存在着问题。1

半导体概念半导体（Semiconductor）是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

原理材料的导电性是由导带中含有的电子数量决定。当电子从价带获得能量而跳跃至导电带时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般常见的金属材料其导电带与价电带之间的能隙非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导电带，所以无法导电。

一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。

半导体通过电子传导或空穴传导的方式传输电流。电子传导的方式与铜线中电流的流动类似，即在电场作用下高度电离的原子将多余的电子向着负离子化程度比较低的方向传递。空穴导电则是指在正离子化的材料中，原子核外由于电子缺失形成的“空穴”，在电场作用下，空穴被少数的电子补入而造成空穴移动所形成的电流（一般称为正电流）。

材料中载流子（carrier）的数量对半导体的导电特性极为重要。这可以通过在半导体中有选择的加入其他“杂质”（IIIA、VA族元素）来控制。如果我们在纯硅中掺杂（doping）少许的砷或磷（最外层有5个电子），就会多出1个自由电子，这样就形成N型半导体；如果我们在纯硅中掺入少许的硼（最外层有3个电子），就反而少了1个电子，而形成一个空穴（hole），这样就形成P型半导体（少了1个带负电荷的原子，可视为多了1个正电荷）。

半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽，意即绝缘体价带中的载流子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带，进入导带中。室温下的半导体导电性有如绝缘体，只有极少数的载流子具有足够的能量进入导带。因此，对于一个在相同电场下的本征半导体和绝缘体会有类似的电特性，不过半导体的能带宽度小于绝缘体也意味着半导体的导电性更容易受到控制而改变。

应用半导体器件可以通过结构和材料上的设计达到控制电流传输的目的，并以此为基础构建各种处理不同信号的电路。这是半导体在当前电子技术中广泛应用的原因。2

金属导体金属的导电性能是由于在电场作用下自由电子的移动而发生 的。金属的电阻是由于晶格的热振动与晶格中的缺陷和杂质引起的。通常金属的电阻由理想电阻率和剩余电阻率组成。

在常温或适度低温下，纯金属的电阻主要是晶格的热振动产生的，热振动的大小正比于绝对温度。因此金属的电阻率同温度存在着线性关系。温度升高，电阻线性地增加。

在很低的温度下，晶格的热振动变得很小了，金属的电阻几乎与温度无关而趋近极限值，变为常数。这个极限电阻值即所谓的剩余电阻。剩余电阻率同金属内部的杂质和缺陷有重大关系。实验证明，当金属非常纯时，剩余电阻几乎趋近于零。由高纯铜经特殊加工并严格退火的试样的剩余电阻率为其室温电阻的0.0006。在液氢温度下，这种材料的电阻值已达到剩余电阻值，亦即在液氢温度下，高纯铜的电阻已经很小了。利用这个特性可以制成液氢冷却的电磁体，从而使电磁体的能耗降为室温时的1%。

应用利用金属元素的电阻率与温度的线性关系，可以制成电阻温度 计和液位计。例如铜、钼等元素制成的低温温度计。3

超导体超导体（superconductor），指可以在在特定温度以下，呈现电阻为零的导体。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。超导体电阻转变为零的温度，称为超导临界温度，据此超导材料可以分为低温超导材料和高温超导材料。这里的“高温”是相对于绝对零度而言的，其实远低于冰点摄氏0℃。科学家一直在寻求提高超导材料的临界温度，目前高温超导体的最高温度记录是马克普朗克研究所的203K（-70°C）。

分类现在对于超导体的分类并没有统一的标准，通常的分类方法有以下几种：

通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导体和第二类超导体：对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场，超过临界磁场的时候，超导性消失；对于第二类超导体，他们有两个临界磁场值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。

通过解释的理论不同可以把它们分为：传统超导体（如果它们可以用BCS理论或其推论解释）和非传统超导体（如果它们不能用上述理论解释）。

通过材料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体和低温超导体：高温超导体通常指它们的转变温度达到液氮温度（大于77K）；低温超导体通常指它们需要其他特殊的技术才可以达到它们的转变温度。

通过材料可以将它们分为化学材料超导体比如：铅和水银；合金超导体比如：铌钛合金；氧化物超导体,比如钇钡铜氧化物；有机超导体,比如：碳纳米管。

应用超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。目前超导量子干涉仪（SQUID）已经产业化。 另外，作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商业领域主要应用于医学领域的MRI（核磁共振成像仪）。作为科学研究领域，已经应用于欧洲的大型项目LHC项目，帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。1

导体与绝缘体的相对性导体与绝缘体的区分是相对的，不是绝对的。例如，螺丝刀的木 柄干燥时是绝缘体，受潮了则绝缘作用减弱。有些物体碰到低压时是绝缘体，但碰到高压时就不再是绝缘体了，使用时千万要注意。气体，一般是不导电的，因为原子组成的气体分 子都是中性的。但在定条件下，中性分子也会由于失去或得到电子而成为带电的离子。这时气体也就变成导体了。4