Phân biệt chất dẫn điện, bán dẫn và chất cách điện

Chất dẫn điện và chất cách điện là các loại vật liệu. Một trong những điểm khác biệt chính giữa chất dẫn điện và chất cách điện là chất dẫn điện cho phép năng lượng (tức là dòng điện hoặc nhiệt) đi qua nó, trong khi chất cách điện không cho phép năng lượng đi qua nó.

I. Định nghĩa

1. Chất dẫn điện là gì?

Chất dẫn điện được định nghĩa là vật liệu cho phép dòng điện đi qua nó. Các electron trong một vật dẫn điện sẽ chuyển động tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác khi có hiệu điện thế tác dụng lên. Khả năng dẫn điện phụ thuộc vào số electron tự do ở lớp ngoài cùng của nguyên tử, càng nhiều thì độ dẫn điện càng tốt. Chất dẫn điện kim loại như nhôm, đồng sẽ được sử dụng làm dây dẫn điện vì hiệu quả và chi phí, kim loại dẫn điện tốt do có số lượng electron tự do cao, ví dụ đồng, nhôm, bạc, thủy ngân… Ngoài kim loại còn có nhiều chất lỏng như axit, bazơ cũng có thể dẫn điện.

Độ dẫn điện tỷ lệ nghịch với điện trở, nó được tính theo công thức: G (độ dẫn điện) = 1/R, R là điện trở.

2. Chất cách điện là gì?

Trái ngược với chất dẫn điện, các chất cách điện là những vật liệu không dẫn điện, dòng điện không thể đi qua nó như gỗ khô, nhựa, cao su, thủy tinh, giấy khô…  Liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử của chất cách điện rất mạnh, không có electron tự do nên điện tích không thể chuyển động tự do. Chất cách điện chủ yếu được sử dụng để cách điện cho dây và cáp điện, cũng như các thiết bị điện.

3. Chất bán dẫn là gì?

Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật mang tính chất giữa chất dẫn điện và chất cách điện, tức là trong một số điều kiện nó sẽ có tác dụng cách điện nhưng trong điều kiện khác thi nó lại có thể dẫn điện. Khái niệm “điều kiện” ở đây thường liên quan chủ yếu tới nhiệt độ, theo đó nhiệt độ thấp thì sẽ cách điện, nhiệt độ phòng thì dẫn điện (tức là độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng).

Đặc tính này cho phép chất bán dẫn trở thành một linh kiện không thể thiếu trong việc chế tạo các thiết bị điện tử như điốt và bóng bán dẫn. Ngoài ra, có một số chất bán dẫn có thể dẫn điện bằng ánh sáng, tạp chất hoặc điện trường.

Silicon, germani và các hợp chất của gallium là những chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất.

II. So sánh chất dẫn điện và chất cách điện

1. Chất dẫn điện là vật liệu cho phép dòng điện hoặc nhiệt đi qua nó trong khi chất cách điện không cho phép dòng điện hoặc nhiệt đi qua nó.
2. Độ dẫn nhiệt của chất dẫn điện cao, ngược lại độ dẫn nhiệt của vật liệu cách điện thấp.
3. Liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử của chất dẫn điện rất yếu trong khi chất cách điện thì rất mạnh.
4. Độ dẫn điện của chất dẫn điện cao, ngược lại độ dẫn điện của chất cách điện thấp.
5. Điện trở của chất dẫn điện rất nhỏ, và do đó các điện tử tự do di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Điện trở của chất cách điện rất cao.
6. Chất dẫn điện có nhiều electron tự do trong khi chất cách điện không có nhiều electron tự do.
7. Đồng, bạc, nhôm, thủy ngân là những ví dụ về chất dẫn điện tốt. Gỗ, giấy, gốm, nhựa v.v., là những ví dụ về chất cách điện.
8. Ruột dẫn được sử dụng để làm dây và cáp điện, cách điện được sử dụng để làm lớp bọc cách điện cho các ruột dẫn.

III. Lịch sử về độ dẫn điện

Phải mất nhiều năm và nhiều thí nghiệm với nhiều vật thể khác nhau trước khi nhà vật lý người Anh Stephen Gray (1666–1735) phát hiện ra hiện tượng dẫn điện vào năm 1729. Ông cũng phát hiện ra rằng độ dẫn điện phụ thuộc vào vật liệu làm dây dẫn.

Như đã chia sẻ ở trên, chất dẫn điện bao gồm tất cả các kim loại, than đá, than chì, dung dịch axit, bazơ, muối. Chất cách điện là thủy tinh, nhựa, sứ, cao su, ebonit, lụa, nước cất, dầu hỏa, khí và nhiều chất khác. Stefan Gray cũng phát hiện ra rằng một số vật thể (ví dụ như tóc, nhựa, thủy tinh) giữ được tĩnh điện trong thời gian dài, lên đến 30 ngày. Tính chất điện của cùng một chất có thể thay đổi tùy theo điều kiện bên ngoài. Ví dụ, thủy tinh thường là chất cách điện, nhưng khi tiếp xúc với không khí ẩm, nó sẽ mất đi nhiều đặc tính cách điệnm nếu bạn đun nóng hoặc làm tan chảy nó thì thủy tinh sẽ bắt đầu dẫn điện.

Các tính chất điện của chất bán dẫn đã được nghiên cứu và tìm thấy ứng dụng rộng rãi nhất trong thế kỷ XX, bắt đầu vào năm 1931, nhà vật lý Liên Xô Abram Ioffe đã xuất bản một bài báo với tựa đề mang tính tiên tri “Chất bán dẫn – vật liệu mới cho kỹ thuật điện” và tiến hành nghiên cứu toàn diện về chúng. Không phải vô cớ mà Ioffe được mệnh danh là “cha đẻ của chất bán dẫn” trên toàn cầu.