导体、绝缘体和半导体的区别与应用

本章前面介绍了原子包括在原子核中的质子和中子，以及在电子层上围绕原子核运动的电子。每种元素的原子中的电子数是不同的。例如，铜有29个电子，其中3个位于最外层。最外层称为价电子层，该层上的电子称为价电子。稳定性最强的材料的原子有8个价电子，是4对。1个原子可能有5、6、7个价电子，这将需要少量的能量来补充电子得到满层（8个）；也可能有1、2或3个价电子，这将需要少量的能量来放弃这些电子达到8个电子的稳定配置。

导体是一种允许电子（电流）很容易流过的材料，绝缘体不允许电流流过。导体的例子有用于制作导线的铜，绝缘体的例子有橡胶或塑料。导体的原子结构使得电子更容易流动，绝缘体的原子结构使得电子几乎不可能流动。

图12-56表示了一个导体的简化原子结构。导体的原子可以有1、2或3个价电子。本例中的原子有1个价电子。由于所有原子都会得到或失去足够的电子，以实现价电子层8电子（4对）的配置，导体需要较少的能量放弃这些电子（1、2或3个），这样价电子层就空了。此时原子趋于稳定，因为里面的层变为价电子层，有8个电子。放弃的电子可以作为电流自由移动。

图12-57表示了一个绝缘体的简化原子结构。绝缘体有5、6或7个价电子。在本例中，原子有7个价电子。这种结构很容易让绝缘体获得一个额外的电子达到8个价电子。被捕获以填补价电子层的电子通常也可以作为电流自由流动。

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图12-56 一个导体的简化原子结构

图12-57 一个绝缘体的简化原子结构

半导体是其原子正好有4个价电子的材料。由于这些原子正好有4个价电子，可以像绝缘体一样得到4个新的价电子获得一个完整的价电子层，也可以像导体一样放弃4个价电子获得一个空的最外层。然后里面的有8个电子的电子层成为价电子层。图12-58表示了一个半导体材料的简化原子结构。