Metale i półprzewodniki a temperatura

Opór elektryczny to wielkość opisująca, jak bardzo dany materiał utrudnia przepływ prądu. Oznaczamy go symbolem $R$, a jego jednostką jest om $Ω$. W prostych zadaniach szkolnych opór wyznacza się z prawa Ohma: $R = \frac{U}{I}$, gdzie $U$ to napięcie, a $I$ natężenie prądu.

Opór przewodnika nie jest cechą całkowicie stałą. Zależy między innymi od rodzaju materiału, długości przewodnika, jego przekroju poprzecznego oraz temperatury. Właśnie wpływ temperatury jest bardzo ważny, bo dla różnych materiałów może przebiegać w odmienny sposób.

W fizyce szkolnej szczególnie porównuje się metale i półprzewodniki, ponieważ ich zachowanie przy ogrzewaniu jest przeciwne.

Metale są dobrymi przewodnikami prądu, ponieważ mają elektrony swobodne, które mogą przemieszczać się przez materiał. Gdy do końców przewodnika przyłożymy napięcie, elektrony zaczynają poruszać się w uporządkowany sposób, co daje przepływ prądu.

W metalu atomy tworzą uporządkowaną sieć krystaliczną. Elektrony poruszające się przez tę sieć nie płyną zupełnie bez przeszkód — zderzają się i są rozpraszane. To właśnie te utrudnienia ruchu elektronów przejawiają się jako opór elektryczny.

Kiedy temperatura metalu rośnie, rosną też drgania jonów w sieci krystalicznej. Wtedy elektrony częściej zderzają się z „drgającą” strukturą materiału, więc ich ruch staje się trudniejszy. Skutkiem jest wzrost oporu metalu wraz ze wzrostem temperatury.

Półprzewodniki przewodzą prąd gorzej niż metale, ale lepiej niż izolatory. Ich najważniejszą cechą jest to, że przewodnictwo bardzo silnie zależy od warunków, zwłaszcza od temperatury i obecności domieszek.

W półprzewodnikach nośnikami ładunku mogą być nie tylko elektrony, lecz także dziury elektronowe. Dziura to brak elektronu w strukturze materiału; w opisie przewodzenia zachowuje się ona jak dodatni nośnik ładunku.

Gdy temperatura półprzewodnika rośnie, coraz więcej elektronów uzyskuje możliwość udziału w przewodzeniu. Wzrasta więc liczba nośników ładunku, a przepływ prądu staje się łatwiejszy. Dlatego opór półprzewodnika maleje przy wzroście temperatury.

To zachowanie jest odwrotne niż w metalach i ma duże znaczenie praktyczne w elektronice.

Najważniejsza różnica polega na mechanizmie odpowiedzialnym za zmianę oporu. W metalach liczba nośników jest duża już w zwykłych warunkach, a decydujące staje się to, że rosnące drgania sieci utrudniają ich ruch. W półprzewodnikach kluczowe jest natomiast to, że ogrzewanie zwiększa liczbę dostępnych nośników.

Można więc zapamiętać prostą zasadę:

• metal po ogrzaniu zwykle przewodzi gorzej,
• półprzewodnik po ogrzaniu zwykle przewodzi lepiej.

To jedna z najczęściej sprawdzanych różnic na lekcjach fizyki i w zadaniach testowych.

Silna zależność oporu od temperatury sprawia, że półprzewodniki wykorzystuje się do budowy elementów elektronicznych reagujących na zmiany temperatury. Typowym przykładem jest termistor — element, którego opór wyraźnie zmienia się pod wpływem ogrzewania lub chłodzenia.

Takie elementy stosuje się między innymi w układach pomiarowych, czujnikach i zabezpieczeniach. W praktyce zależność oporu od temperatury pozwala zamienić zmianę temperatury na zmianę napięcia lub natężenia w obwodzie.

Metale także wykorzystuje się w obwodach elektrycznych, ale zwykle jako przewodniki połączeń. Trzeba wtedy pamiętać, że ich opór może wzrastać przy nagrzewaniu, co wpływa na działanie urządzeń i straty energii.

W zadaniach szkolnych często pojawia się pytanie jakościowe: co stanie się z oporem po ogrzaniu materiału? Żeby odpowiedzieć poprawnie, trzeba najpierw rozpoznać, czy chodzi o metal, czy o półprzewodnik. Sam wzrost temperatury nie wystarcza do udzielenia odpowiedzi bez znajomości rodzaju materiału.

Częstym błędem jest przenoszenie własności metali na półprzewodniki albo odwrotnie. Należy też pamiętać, że mówimy o typowym zachowaniu omawianym w szkole średniej, a nie o wszystkich możliwych szczególnych przypadkach technicznych.