of 134 /134
Tony R. Kuphaldt Introducere în circuite electrice şi electronice Vol. 3 – Electronică analogică V 1.0 www.circuiteelectrice.ro

Introducere în circuite electrice şi electronice1 01 - Introducere 1. Circuite electrice şi circuite electronice • Într-un circuit electronic, curentul este controlat de curent

Embed Size (px)

Text of Introducere în circuite electrice şi electronice1 01 - Introducere 1. Circuite electrice şi...

  • Tony R. Kuphaldt

    Introducerencircuiteelectriceielectronice

    Vol.3Electronicanalogic

    V 1.0

    www.circuiteelectrice.ro

    http://www.circuiteelectrice.ro/

  • Prefa

    Cartea de fa reprezint varianta romneasc a volumului de Electronic analogic, al treilea din seria lucrrilor Lessons in Electric Circuits scrise de Tony R. Kuphaldt sub licena DESIGN SCIENCE LICENSE.

    Prezenta versiune se distribuie gratuit prin intermediul site-ului oficial. Ultimele nouti i varianta on-line se gsesc la adresa www.circuiteelectrice.ro. Orice comentarii sau sugestii de mbuntire sunt binevenite i pot fi trimise pe adresa [email protected] Putei utiliza coninutul de fa n orice scop dorii respectnd condiiile impuse de licena DSL, n principal, menionarea sursei originale.

    Atenie, pe tot parcusul crii se va folosi notaia real de deplasare a electronilor prin circuit, i anume, dinspre borna negativ (-) spre borna pozitiv (+) !

    01.03.2010

    http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Devel/dsl.htmlhttp://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Devel/dsl.htmlhttp://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Devel/dsl.htmlhttp://www.circuiteelectrice.ro/mailto:[email protected]

  • i

    01 - INTRODUCERE ................................................................................................................................................................. 1

    1. CIRCUITE ELECTRICE I CIRCUITE ELECTRONICE ................................................................................................................................... 12. ELEMENTE ACTIVE I ELEMENTE PASIVE ............................................................................................................................................ 23. AMPLIFICATORUL ........................................................................................................................................................................ 24. FACTORUL DE AMPLIFICARE ........................................................................................................................................................... 55. DECIBELUL ................................................................................................................................................................................. 6

    02 - FIZICA DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE .................................................................................................................. 8

    01. FIZICA CUANTIC ....................................................................................................................................................................... 802. VALENA I STRUCTURA CRISTALIN ............................................................................................................................................ 1703. BENZI DE ENERGIE ................................................................................................................................................................... 1904. ELECTRONI I GOLURI ............................................................................................................................................................... 2205. JONCIUNEA P-N .................................................................................................................................................................... 2506. DIODA .................................................................................................................................................................................. 2707. TRANZISTORUL BIPOLAR CU JONCIUNE (BJT) ............................................................................................................................... 2808. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP (FET) ..................................................................................................................................... 3309. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP CU POART IZOLAT (MOSFET) ................................................................................................. 3610. TIRISTORUL ............................................................................................................................................................................ 39

    03 - DIODA I REDRESORUL .................................................................................................................................................. 41

    1. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE AL DIODEI ......................................................................................................................................... 412. VERIFICAREA DIODEI CU OHMMETRUL ........................................................................................................................................... 453. PARAMETRII CARACTERISTICI AI DIODEI .......................................................................................................................................... 474. CIRCUITE REDRESOARE ............................................................................................................................................................... 495. DIODA ZENER - PRINCIPII I APLICAII ............................................................................................................................................ 54

    04 - TRANZISTORUL .............................................................................................................................................................. 61

    01. TRANZISTORUL - INTRODUCERE .................................................................................................................................................. 6102. TRANZISTORULUI CA I NTRERUPTOR ........................................................................................................................................ 6203. VERIFICAREA TRANZISTORULUI CU OHMMETRUL ............................................................................................................................ 6404. ZONA ACTIV DE FUNCIONARE A TRANZISTORULUI ........................................................................................................................ 6705. PUNCTUL STATIC DE FUNCIONARE AL TRANZISTORULUI .................................................................................................................. 7106. CONEXIUNEA EMITOR COMUN ................................................................................................................................................... 7507. CONEXIUNEA COLECTOR COMUN ................................................................................................................................................ 8308. CONEXIUNEA BAZ COMUN ..................................................................................................................................................... 8809. AMPLIFICATOARE CLASA A, B, AB, C I D .................................................................................................................................... 9110. METODE DE POLARIZARE ALE TRANZISTORULUI .............................................................................................................................. 9511. CUPLAJUL DE INTRARE I DE IEIRE .............................................................................................................................................. 9912. AMPLIFICATOARE CU REACIE .................................................................................................................................................. 102

    05 - AMPLIFICATORUL OPERAIONAL ................................................................................................................................ 109

    02. AMPLIFICATORUL CU POTENIAL DE REFERIN I AMPLIFICATORUL DIFERENIAL ............................................................................... 10903. AMPLIFICATORUL OPERAIONAL ............................................................................................................................................... 11204. REACIA NEGATIV ................................................................................................................................................................ 11605. REACIA NEGATIV PRIN DIVIZOR DE TENSIUNE ............................................................................................................................ 11906. AMPLIFICATORUL TENSIUNE-CURENT ......................................................................................................................................... 12107. CIRCUITE SUMATOARE I DE MEDIERE ........................................................................................................................................ 12308. REALIZAREA UNUI AMPLIFICATOR DIFERENIAL ............................................................................................................................ 12409. AMPLIFICATORUL DE INSTRUMENTAIE ...................................................................................................................................... 12510. CIRCUITE DE DERIVARE I INTEGRARE ......................................................................................................................................... 12711. REACIA POZITIV ................................................................................................................................................................. 129

  • 1

    01 - Introducere

    1. Circuite electrice i circuite electronice

    ntr-un circuit electronic, curentul este controlat de curent

    Definiia circuitelor electronice

    Circuitele electrice reprezint conexiuni ale conductorilor electrici cu elemente de circuit, n cadrul crora are loc o deplasare uniform de electroni. Circuitele electronice adaug o nou dimensiune circuitelor electrice, prin faptul c deplasarea electronilor este controlat, ntr-o oarecare msur, de un semnal electric adiional, fie sub form de curent, fie sub form de tensiune.

    Controlul curentului nu este neaprat specific electronicii. ntreruptoarele i poteniometrele controleaz i ele deplasarea electronilor. Prin urmare, diferena dintre electric i electronic este dat de modul n care acest control este exercitat n circuit, i nu neaprat de existena sau absena acestuia. ntreruptoarele i poteniometrele controleaz curentul mecanic, printr-un element acionat de o anumit for fizic extern circuitului. n electronic, pe de alt parte, avem de a face cu elemente speciale, capabile s controleze curentul cu ajutorul unui alt curent, sau prin aplicarea unei tensiuni statice. Cu alte cuvinte, ntr-un circuit electronic, curentul controleaz curentul

    Efectul Edison

    .

    Din punct de vedere istoric, precursorul electronicii moderne a fost inventat de Thomas Edison n 1880, pe cnd acesta lucra la dezvoltarea becului cu incandescen. Edison a descoperit c exist un curent electric ntre filamentul becului i o plac metalic instalat n interiorul nveliului vidat

    Dioda i trioda cu vid

    (figura alturat (b)). Astzi, acest comportament este cunoscut sub numele de efectul Edison. De

    menionat c bateria este necesar doar pentru nclzirea filamentului. Dac am folosi orice alt modalitate de nclzire a filamentului, efectul ar fi acelai.

    n 1904, John Fleming a descoperit c introducerea n circuit a unui curent extern (bateria ataat plcii, figura de mai sus (b)) se poate realiza doar ntr-o singur direcie, de la filament la plac, dar nu i invers. Aceast invenie este cunoscut sub numele de dioda cu vid, folosit pentru transformarea (redresarea) curentului alternativ n

  • 2

    curent continuu. Adugarea celui de al treilea electrod de ctre Lee De Forest (figura de mai sus (c)), a fcut posibil controlul curentului de la filament la plac cu ajutorul unui semnal mai mic. Invenia triodei cu vid de ctre De Forest a marcat practic nceputul erei electronice.

    Tranzistorul

    Tehnologia electronici a cunoscut o revoluie n anul 1948, odat cu invenia tranzistorului. Acest component electronic minuscul joac acelai rol ca i un tub cu vid, dar ocup un loc mult mai mic i este mult mai ieftin. Tranzistorii realizeaz controlul curentului cu ajutorul materialelor semiconductoare i nu prin vid.

    2. Elemente active i elemente pasive

    Elementele active de circuit sunt acele dispozitive ce pot controla curentul prin intermediul curentului Elementele pasive de circuit nu pot controla curentul la bornele lor cu ajutorul unui alt curent

    Elemente active

    Un element de circuit activ este orice tip de component ce poate controla deplasarea electronilor (curentul) pe cale electric. Pentru ca un circuit s poarte numele de circuit electronic, acesta trebuie s conin cel puin un astfel de element activ.

    Elementele active includ, printre altele, tuburile cu vid, tranzistoarele, redresoarele cu semiconductoare, i triacurile.

    Toate dispozitivele active controleaz curentul prin ele. Unele dispozitive active realizeaz acest lucru prin intermediul unei tensiuni, iar altele prin intermediul curentului. Cele care utilizeaz o tensiune static ca i semnal de control, sunt denumite dispozitive controlate n tensiune. Cele care folosesc un alt curent pentru controlul curentului n cauz sunt cunoscute sub numele de dispozitive controlate n curent

    Elemente pasive

    . Tuburile cu vid sunt dispozitive controlate n tensiune iar tranzistoarele pot fi de ambele tipuri.

    Componentele ce nu pot controla curentul prin intermediul unui alt semnal electric

    3. Amplificatorul

    , sunt denumite elemente de circuit pasive. Rezistorii, condensatoarele, bobinele, transformatoarele i chiar i diodele, toate sunt considerate elemente de circuit pasive.

  • 3

    Comanda unei cantiti mari de putere prin intermediul unei alte puteri, mai mici, poart numele de

    Dispozitivul ce realizeaz o asemenea amplificare de putere, poart numele de amplificare

    Definiia amplificrii

    amplificator

    Practic, elementele active sunt folosite pentru proprietatea lor de amplificare. Indiferent dac dispozitivul n cauz este controlat n tensiune sau n curent, puterea necesar pentru semnalul de control este de obicei mult mai mic dect puterea disponibil n curentul controlat. Cu alte cuvinte, un element activ nu permite pur i simplu controlul curentului de ctre curent, ci, face posibil controlul unui curent mare de ctre un curent mic.

    Datorit acestei diferene dintre puterea controlat i puterea de control, elementele active de circuit pot fi folosite pentru comanda unei cantiti mari de putere (putere controlat) de ctre o cantitate mic de putere (putere de control)

    Maina perfect

    . Acest comportament poart numele de amplificare.

    O lege fundamental a fizicii, cea a conservrii energiei, spune c energia nu poate fi creat dar nici distrus

    Toate mainile, incluznd circuitele electrice i electronice, au o eficien maxim de 100%. n cele mai fericite cazuri, puterea de intrare este egal cu puterea de ieire.

    . Dac aceast lege este adevrat, atunci construirea unui dispozitiv care s ia o cantitate mic de energie i s o transforme ntr-o cantitate mare de energie, pe cale magic, nu este posibil.

    Maina real

    n realitate ns, de cele mai multe ori, mainile nu ating nici mcar aceast limit superioar, deoarece o parte din energia de intrare se pierde sub form de cldur

    radiat n spaiul din jur, iar aceast energie pierdut nu se regsete n valoarea energiei de ieire.

    Perpetuum mobile

  • 4

    Au existat numeroase ncercri, fr succes ns, de a proiecta i construi putere de ieire s fie mai mare dect

    o main a crei

    puterea de intrareviola legea conservrii energiei, dar ar duce

    . Acest lucru nu doar c ar

    lumea ntr-o revoluie tehnologic fr precedent, deoarece acest tip de main s-ar putea alimenta singur, ntr-o bucl circular, i ar putea genera putere gratuit. Aceast main este cunoscut sub numele de perpetuum mobile.

    Dei au existat multe ncercri n acest domeniu, pn acum nu s-a reuit construirea

    unei maini capabile s se alimenteze singur, cu propria ei energie plus generarea unei energii suplimentare.

    Amplificatorul

    Totui, exist o gam de maini denumite amplificatoare, n cadrul crora, semnalele de putere mic de la intrare sunt transformate (cu ajutorul unei surse externe de putere) n semnale de ieire de o putere mult mai mare

    Principiul de funcionare al amplificatoarelor

    . Pentru a nelege cum pot amplificatoarele s existe fr a viola legea conservrii energiei, trebuie s nelegem modul de funcionare al dispozitivelor active.

    Pentru c elementele active de circuit pot controla cantiti mari de putere electric cu ajutorul unei cantiti mici de putere electric, acestea pot fi utilizate n circuite pentru duplicarea formei semnalului de intrare cu ajutorul unei surse externe de putere electric. Rezultatul este un dispozitiv ce pare a transforma pe cale magic un semnal electric de putere mic ntr-un semnal identic, dar de o

    putere/amplitudine mai mare. Legea conservrii energiei nu este violat, deoarece puterea adiional este introdus n circuit de o surs extern, de obicei o baterie de curent continuu sau o surs echivalent. Amplificatorul nu creaz i nici nu distruge energie, ci doar o remodeleaz ntr-o form de und dorit.

    Cu alte cuvinte, abilitatea de control al curentului pe care elementele active le posed, este folosit pentru transformarea puterii de curent continuu dintr-o surs extern n aceeai form de und precum a semnalului de intrare, forma semnalului produs la ieire fiind n acest caz identic cu cea de la intrare, dar de o amplitudine mult mai mare. Tranzistorul, sau alte dispozitive active coninute ntr-un amplificator, formeaz pur i simplu o copie a formei de und a semnalului de intrare cu ajutorul sursei externe de curent continuu brute.

  • 5

    Eficiena amplificatoarelor

    Eficiena amplificatoarelor, precum este cazul tuturor mainilor, este limitat la un maxim de 100%

    4. Factorul de amplificare

    . De obicei, amplificatoarele electronice au o eficien mult sub acest nivel, datorit pierderilor considerabile de energie sub form de cldur.

    Raportul dintre valoarea de ieire i cea de intrarea a amplificatoarelor poart numele de

    Definiie

    factor de amplificare

    Deoarece amplificatoarele pot s mreasc amplitudinea semnalului de intrare, ar fi foarte util dac am descrie aceast proprietatea a lor printr-un raport ieire/intrare

    Exemplu

    , raport ce poart numele de factor de amplificare, sau amplificare. Acest factor nu are unitate de msur, fiind un raport dintre dou mrimi cu aceeai unitate de msur. Matematic, simbolul amplificrii este A.

    De exemplu, dac la intrarea unui amplificator avem un semnal de tensiune alternativ efectiv de 2 V, iar la ieire avem o tensiune alternativ efectiv de 30 V, spunem c factorul de amplificare n tensiune al amplificatorului este de 15, adic 30 mprit la 2.

    Prin aceeai metod, dac tim factorul de amplificare i amplitudinea semnalului de intrare, putem calcula amplitudinea semnalului de ieire. De exemplu, dac un amplificator cu un factor de amplificare n curent

    n exemplele de mai sus, toate semnalele i amplificrile au fost considerate n curent alternativ. Trebuie menionat un principiu important: amplificatoarele electronice rspund diferit semnalelor de intrare n curent alternativ i

    alternativ de 3,5, are la intrare un semnal de 28 mA efectiv, semnalul de ieire va fi 98 mA efectiv, sau 3,5 * 28 mA:

  • 6

    curent continuu, iar amplificarea celor dou poate s fie diferit. nainte de a putea face calculele amplificrilor, trebuie s nelegem cu ce semnale avem de a face n primul rnd, alternative sau de curent continuu.

    Conectarea n serie a amplificatoarelor

    Dac conectm mai multe amplificatoare n etaje, factorul de amplificare total va fi egal cu produsul amplificrilor individuale

    n figura alturat, un semnal de 1 V este aplicat intrrii unui amplificator cu factorul de amplificare 3. Ieirea acestuia, de 3 V, este introdus la intrarea unui amplificator cu factorul de amplificare 5, semnalul de la ieire fiind 15 V.

    .

    5. Decibelul

    Factorul de amplificare se poate exprima cu ajutorul decibelului

    Definiie

    n cea mai simpl form, factorul de amplificare al amplificatorului este un raport dintre semnalul de ieire i cel de intrare, fiind o mrime fr unitate de msur. Totui, exist o unitate de msur pentru reprezentarea amplificrii, i anume, bel-ul.

    Ca i unitate, bel-ul a fost folosit pentru reprezentarea pierderilor de putere din liniile telefonice, i nu pentru reprezentarea amplificrilor. Unitatea poart numele inventatorului scoian, Alexander Graham Bell, a crui munc fundamental a dus la dezvoltarea sistemelor telefonice. Sub forma sa original, bel-ul reprezenta cantitatea de semnal pierdut datorit rezistenei pe o anumit lungime de conductor electric. Acum, acesta este definit ca logaritm din baza zece a raportului dintre semnalul de ieire i cel de intrare:

    Comparaie

  • 7

    Deoarece bel-ul este o unitate logaritmic, acesta este ne-liniar. S considerm urmtorul tabel, ca i o comparaie ntre pierderile de putere exprimate sub form de raport i aceleai pierderi exprimate sub form de bel:

    Mai trziu a fost realizat faptul c bel-ul este o unitate de msur prea mare pentru a fi utilizat direct; prin urmare, a nceput s fie folosit tot mai des prefixul metric deci (1/10, sau 10-1

    ), i anume decibel-ul, sau dB. Astzi, expresia dB este att de rspndit nct majoritatea nu realizeaz c aceasta este o combinaie dintre deci i bel, sau c mcar exist o unitate de msur numit bel. Urmtorul tabel este asemntor celui precedent, dar de data aceasta valorile sunt exprimate n dB:

  • 8

    02 - Fizica dispozitivelor semiconductoare

    01. Fizica cuantic

    Electronii exist n atomi sub form de nori ai probabilitilor distribuite, i nu sub forma unor corpuri discrete ce orbiteaz n jurul nucleului precum sateliii n jurul planetelor

    Fiecare electron din jurul nucleului atomului are o stare unic descris de patru numere cuantice: numrul cuantic principal, cunoscut sub numele de strat; numrul cuantic orbital, cunoscut sub numele de substrat; numrul cuantic magnetic, ce descrie orbitalul (orientarea stratului); numrul cuantic de spin, sau pur i simplu spin. Aceste stri sunt cuantificate, adic electronul nu poate exista ntre aceste stri ce sunt definite de numerotaia cuantic

    Numrul cuantic principal

    (n) descrie stratul pe care se afl electronul. Cu ct acest numr este mai mare, cu att raza norului electronic este mai mare fa de nucleul atomului, i cu att este mai mare energia electronului. Aceste numere sunt numere ntregi pozitive Numrul cuantic orbital

    (l) descrie forma norului electronic dintr-un anumit strat i este cunoscut adesea sub numele de substrat. Numrul substraturilor (formelor norilor electronici) din oricare strat este egal cu numrul cuantic orbital. Acestea sunt numere ntregi pozitive ce ncep de la zero i se termin la n-1 (n - numrul cuantic principal) Numrul cuantic magnetic ml

    descrie orientarea substratului (forma norului electronic). Numrul orientrilor substraturilor este de 2l + 1 (l - numrul cuantic orbital). Fiecare orientare unic poart numele de orbital. Aceste numere sunt ntregi, cu valori ntre -l i l Numrul cuantic de spin ms

    descrie o alt proprietate a electronului, iar valoarea acestuia poate s fie +1/2 sau -1/2 Principiul de excluziune al lui Pauli

    spune c, ntr-un atom, nu exist doi electroni cu acelai set de numere cuantice. Prin urmare, numrul maxim de electroni pe fiecare orbital este de 2 (spin=1/2 i spin=-1/2), de exemplu Notaia spectroscopic

    Comportamentul chimic al unui atom este complet determinat de electronii din straturile neocupate complet. Straturile inferioare ocupate complet nu au aproape niciun efect asupra formrii legturilor chimice ale elementelor

    este o convenie folosit pentru descrierea configuraiei electronilor dintr-un atom. Straturile sunt descrise de numere ntregi, urmate de substraturi, descrise cu ajutorul literelor (s, p, d, f), iar un indice superior este folosit pentru indicarea numrului total de electroni de pe fiecare substrat n parte

    Importana fizicii cuantice

    Invenia dispozitivelor semiconductoare a constituit cu siguran o nou revoluie industrial. Aceste dispozitive au fcut posibil miniaturizarea aparatelor electronice, incluznd calculatoarele personale, dezvoltarea echipamentelor medicale de diagnoz i tratament, apariia dispozitivelor de telecomunicaii moderne i multe altele.

    Dar n spatele acestor realizri remarcabile se afl o alt revoluie a tiinei n general: fizica cuantic. Fr aceast nou nelegere a lumii, dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare nu ar fi fost posibil. Fizica cuantic este ns un domeniu al tiinei extrem de complicat, iar acest capitol reprezint doar o mic introducere. Fr o nelegere de

  • 9

    baz a fizicii cuantice, sau cel puin o nelegere a descoperirilor tiinifice ce au dus la formularea acesteia, este imposibil nelegerea funcionrii dispozitivelor electronice semiconductoare. Majoritatea textelor de electronic ncearc s explice semiconductorii cu ajutorul fizicii clasice, lucru ce duce la o confuzie i mai mare, nu la nelegerea subiectului.

    Modelul clasic al atomului (Rutherford)

    Majoritatea dintre noi am vzut modele ale atomului care arat aproximativ precum n figura alturat (vezi subiectul discutat n volumul I

    Acesta este cunoscut sub numele de modelul lui Rutherford. Centrul atomului este format din particule de materie minuscule denumite protoni i neutroni; electronii orbiteaz n jurul nucleului precum planatele n jurul Soarelui. Nucleul prezint o sarcin electric pozitiv datorit prezenei protonilor, neutronii neavnd sarcin electric, iar electronii ce orbiteaz n jurul nucleului poart o sarcin negativ, ntreg ansamblul fiind astfel echilibrat din punct de vedere al sarcinilor electrice. Electronii sunt atrai de protoni la fel cum planetele

    sunt atrase prin intermediul gravitaiei de Soare, dar orbitele sunt stabile datorit micrii electronilor. Acest model extrem de popular al atomului a fost prezentat pentru prima dat de Ernest Rutherford, ce a determinat pe cale experimental, n jurul anului 1911, c sarcinile pozitive ale atomului sunt concentrate ntr-un nucleu dens i de dimensiuni reduse, n contradicie cu modelul propus de J.J. Thompson, care susinea c aceste sarcini sunt distribuite egal n interiorul atomului.

    Experimentul de mprtiere al lui Rutherford

    Acest experiment a presupus bombardarea unei folii subiri de aur cu particule Alfa, ncrcate pozitiv. Rezultatele au fost neateptate. O mic parte din particule au fost deviate la unghiuri foarte mari. Cteva dintre particulele Alfa au fost deviate napoi, la aproape 180o, dar majoritatea particulelor au trecut pur i simplu prin folia de aur nedeviate, indicnd faptul c cea mai mare parte a foliei era compus din aer. Faptul c o mic parte a particulelor Alfa au fost deviate la unghiuri foarte mari nu se putea explica dect prin prezen unui nucleu minuscul, ncrcat cu sarcin pozitiv.

    Cu toate c acest model al atomului era mai precis dect cel al lui Thompson, totui, nici acesta nu era perfect. Au fost ntreprinse, prin urmare, noi experimente pentru determinarea structurii atomice corecte, iar aceste eforturi au dus la descoperirile bizare al fizicii cuantice. Astzi, modelul atomului, aa cum este el neles cel puin, este destul de complex.

  • 10

    Motenirea modelului lui Rutherford

    Totui, comparaia atomului lui Rutherford cu sistemul solar continu s domine chiar i n mediile academice.

    De exemplu, urmtoarea descriere este luat dintr-o carte de electronic:

    Electronii negativi ce orbiteaz n jurul nucleului pozitiv sunt atrai de acesta, ceea ce ne face s ne ntrebm: de ce electronii nu cad pe nucleul atomului? Rspunsul este c electronii rmn pe orbitele lor stabile datorit existenei celor dou fore egale i de sens contrar: fora centrifug exercitat asupra electronilor aflai n micare pe orbite ce anuleaz fora centripet ce atrage electronii spre nucleu datorit sarcinilor opuse.

    Urmnd modelul lui Rutherford, autorul consider electronii ca fiind buci solide de materie ce se deplaseaz pe orbite circulare, atracia fa de nucleul ncrcat cu o sarcin de semn contrar fiind balansat de micarea lor. Referirea la fora centrifug nu este corect din punct de vedere tehnic (nici chiar pentru planete), dar este uor de trecut cu vedere datorit popularitii ei. n realitate, nu exist nicio for care s mping un corp, orice corp, departe de centrul orbitei acestuia. Iluzia este dat de faptul c un corp ce are inerie tinde s se deplaseze n linie dreapt, iar din moment ce o orbit este o deviaie (acceleraie) a deplasrii n linie drept, exist tot timpul o opoziie fa de fora de atracia a corpului spre centrul orbitei, fie c este for gravitaional, atracie electrostatic, sau orice alt for.

    ns, adevrata problem a acestei explicaii este idea c orbitele electronilor sunt circulare. Faptul c sarcinile electrice accelerate emit radiaie electromagnetic se tie nc de pe vremea lui Rutherford, iar acest lucru se poate dovedi pe cale experimental. Din moment ce micarea orbital este o form de acceleraie (corpul ce orbiteaz este ntr-o acceleraie constant fa de micarea normal, liniar), electronii aflai n stare de orbitare ar trebui s arunce radiaie precum o roat aflat n noroi. Dac electronii ar pierde energie n acest mod, acetia s-ar apropia din ce n ce mai mult de nucleu, rezultatul fiind o coliziune cu nucleul pozitiv. Totui, acest lucru nu se ntmpl n general n atomi. ntr-adevr, orbitele electronilor sunt extrem de stabile.

    Spectrul luminii emis de ctre atomi

    Mai mult dect att, experimentele cu atomi excitai au demonstrat c energia electromagnetic emis de un atom posed doar anumite frecvene specifice. Atomii excitai de influene externe, precum lumina, absorb aceast energie i emit unde electromagnetice de frecvene specifice. Cnd energia emis de un atom este descompus n frecvenele sale (culori) cu ajutorul unei prisme, spectrul culorilor este compus din linii distincte, acestea fiind unice elementului respectiv. Acest fenomen este n general folosit pentru identificarea elementelor atomice, i chiar i pentru determinarea proporiilor fiecrui element dintr-o compoziie chimic. Conform modelului lui Rutherford i a legilor fizicii clasice, domeniul frecvenelor acestor atomi excitai ar trebui s fie practic nelimitat. Cu alte cuvinte, dac modelul lui Rutherford ar fi fost corect, spectrul luminii emise de oricare atom ar aprea ca o band continu de culori i nu doar sub forma ctorva linii distincte.

    Orbitalii

    Niels Bohr a ncercat s mbunteasc modelului lui Rutherford dup ce a studiat o perioad de cteva luni n laboratorul acestuia n 1912. ncercnd s armonizeze i descoperirile celorlali fizicieni, precum Max Plank i Albert Einstein, Bohr a sugerat c fiecare electron posed o anumit energie specific, iar orbitele lor sunt

  • 11

    cuantificate

    Dualismul corpuscul-und

    , astfel c fiecare dintre electroni poate ocupa doar anumite locuri n jurul nucleului. Pentru a scpa de implicaiile micrii electronilor datorit legilor electromagnetismului i a particulelor accelerate, Bohr a considerat aceste orbite (orbitali) ca fiind staionare.

    Cu toate c ncercarea lui Bohr de reconstruire a structurii atomului n termeni ct mai apropiai de rezultatele experimentale, a constituit un pas foarte important pentru fizic, acesta nu a fost totui complet. Analizele sale matematice au condus la predicii mult mai bune a evenimentelor experimentale dect modelele precedente ale atomului, dar cteva ntrebri despre modul ciudat al comportamentului electronilor nc nu i gsiser rspunsul. Susinerea faptului c electronii existau n stri staionare i cuantificate n jurul nucleului era un pas nainte, dar motivul pentru care electronii se comportau astfel nu era nc cunoscut. Rspunsul acestor ntrebri avea s-l dea un alt fizician, Louis de Broglie, cu aproximativ zece ani mai trziu.

    De Broglie a propus c electronii, precum fotonii (particule de lumin), manifest att proprieti ale particulelor ct i proprieti ale undelor

    Principiul incertitudinii al lui Heisenberg

    . Bazndu-se pe aceast interpretare, acesta a sugerat c o analiz a orbitalilor electronilor din punct de vedere al undelor i nu al particulelor, ar rspunde mai multor ntrebri legate de natura lor. ntr-adevr, acesta a reprezentat un nou pas n dezvoltarea unui model al atomului.

    Ipoteza lui de Broglie a fcut posibil introducerea suportului matematic i analogiilor fizice pentru strile cuantificate ale electronilor dintr-un atom, dar nici modelul acestuia nu era complet. n decurs de civa ani ns, fizicienii Werner Heisenberg i Erwin Schrdinger, fiecare lucrnd individual, au creat un model matematic mult mai riguros pentru particulele subatomice, plecnd de la conceptul dualitii und-particul a lui de Broglie.

    Avansul teoretic de la modelul staionar al undei propus de de Broglie la modelul matricial al lui Heisenberg la ecuaiile difereniale ale lui Schrdinger, este cunoscut sub numele de mecanic cuantic i introduce o caracteristic aparent ocant a lumii particulelor subatomice, i anume probabilitatea sau incertitudinea. Conform teoriei mecanicii cuantice, poziia exact i momentul exact al particulelor sunt imposibil de determinat n acelai timp

    Norii electronici

    . Explicaia acestui principiu al incertitudinii const ntr-o eroare de msur cauzat de obicei de procesul de msurare, i anume, prin ncercarea de msurare exact a poziiei unui electron, are loc o interferen cu momentul acestuia i prin urmare nu putem tii care a fost momentul acestuia nainte de efectuarea msurtorii, i invers. Implicaia surprinztoare a mecanicii cuantice este c particulele nu au de fapt o poziie i un moment precis, ci aceste dou cantiti sunt echilibrate astfel nct incertitudinea lor combinat nu scade niciodat sub o anumit valoare minim.

    Valoarea minim a incertitudinii poziiei i momentului unei particule, exprimat de Heisenberg i Schrdinger, nu are nimic de a face cu aparatele de msur neperformante, ci este o proprietate intrinsec a dualitii und-particul. Prin urmare, electronii nu exist n orbitele lor ca i buci de materie precis delimitate, i nici

  • 12

    mcar sub form de unde bine delimitate, ci sub form de nori cu o distribuie

    Numerele cuantice

    de probabiliti, ca i cum fiecare electron ar fi mprtiat pe o suprafa mare de poziii i momente.

    Poziia radical conform creia, electronii existau sub form de nori, prea s vin n contradicie cu principiile originale ale strilor cuantificate ale electronilor: faptul c electronii exist sub forma orbitelor discrete i bine definite n jurul nucleului atomului. Aceast din urm explicaie a fost cea care a constituit, pn la urm, punctul de plecare al mecanicii cuantice. Totui, comportamentul cuantic al electronilor nu depinde de o anumit poziie i moment, ci depinde de cu totul alt proprietate, numerele cuantice. Pe scurt, mecanica cuantic nltur noiunile clasice de poziie i moment absolut nlocuindu-le pe acestea cu noiuni ce nu au nicio analogie n viaa real.

    Cu toate c electronii exist sub form de nori cu probabiliti distribuite i nu sub form de materie discret, aceti nori au unele caracteristicei ce sunt discrete. Oricare electron dintr-un atom poate fi descris de patru numere cuantice

    Numrul cuantic principal

    , i anume: numr cuantic principal, orbital, magnetic i de spin. Toate aceste numere luate mpreun determin starea unui electron la un moment dat.

    Simbolizat prin litera n, acest numr descrie stratul pe care se afl un electron

    . nveliul electronic este un spaiu din jurul nucleului atomului, format din straturi, ce determin poziiile n care electronii pot exista. Electronii se pot deplasa de pe un strat pe altul, dar nu pot exista n regiunile dintre straturi.

    Numrul cuantic principal al electronului este un numr ntreg pozitiv (1, 2, 3, 4...). astfel, fiecare electron poate exista pe unul dintre aceste straturi, n funcia de componena atomului. Aceste valori nu au fost alese arbitrar, ci ca urmare a experimentelor cu spectre de lumin: diferitele frecvene ale luminii emise de atomii de hidrogen excitai, urmeaz o secven matematic ce depinde de anumite valori ntregi.

    Fiecare strat poate susine mai muli electroni. O analogie a acestei aezri poate fi imaginat dac lum n considerare un amfiteatru. Fiecare persoan trebuie s aleag un rnd n care s se aeze (nu se poate aeza ntre rnduri); la fel, fiecare electron trebuie s aleag un anumit strat n care s se aeze. Ca i n cazul amfiteatrelor, stratul exterior poate susine mai muli electroni dect stratul interior, din apropierea nucleului. De asemenea, electronii tind s se aeze pe cel mai de jos strat disponibil, la fel cum ntr-un amfiteatru, oamenii caut s se aeze ct mai aproape de scen (n primul rnd). Cu ct numrul stratului (numrul cuantic principal, n) este mai mare, cu att energia electronilor ce-l ocup este mai mare.

    Numrul maxim de electroni dintr-un strat este descris de urmtoarea ecuaie:

    Astfel, primul strat (n=1) poate fi ocupat de doar 2 electroni, cel de al doilea strat (n=2) de 8 electroni, al treilea (n=3) de 18 electroni.

  • 13

    Straturile electronice (de la electron) ale unui atom au fost notate cu litere nu cu cifre. Primul strat (n=1) se noteaz cu litera K, al doilea (n=2) cu L, al treilea (n=3) cu M, al patrulea (n=4) cu M, al cincilea (n=5) cu O, al aselea (n=6) cu P i al aptelea (n=7) cu Q.

    Numrul cuantic orbital

    Fiecare strat este compus din substraturi

    Primul substrat are forma unei sfere, dac l privim sub forma unui nor de electroni ce nvelete tridimensional nucleul atomic. Cel de al doilea substrat ns, este compus din doi lobi conectai mpreun ntr-un singur punct n apropierea centrului atomului. Al treilea substrat este format dintr-un set de patru lobi

    aranjai n jurul nucleului.

    Numrul orbital este un numr ntreg, la fel ca i numrul principal, doar c include i zero. Aceste numere sunt simbolizate prin intermediul literei l.

    . Substraturile sunt regiuni spaiale ce descriu locul n care pot exista nori electronici iar forma lor este diferit de la un substrat la altul.

    Numrul substraturilor dintr-un strat este egal cu numrul cuantic orbital

    .

  • 14

    Astfel, primul strat (n=1) are un substrat, numerotat cu 0; al doilea strat (n=2) are dou substraturi, 0 i 1; al treilea strat (n=3) are trei substraturi, 0,1 i 2. O alt convenie, foarte des ntlnit, este numerotarea substraturilor prin s (l=0), p (l=1), d (l=2) i f (l=3)

    Numrul cuantic magnetic

    Numrul cuantic magnetic al unui electron determin orientarea formei substratului. Lobii substraturilor pot fi orientai n mai multe direcii. Aceste orientrii diferite poart numele de orbitali. Primul substrat (s; l=0) este o sfer fr posibilitatea de existen a unei direcii, prin urmare, n acest caz, avem doar un orbital. Pentru al doilea substrat (p; l=1) din fiecare strat, lobii acestora pot avea trei direcii diferite.

    Simbolul numrului magnetic este ml

    Numrul cuantic de spin

    . Pentru a calcula numrul de orbitali din fiecare strat, utilizm urmtoarea formul:

    De exemplu, primul substrat (l=0) al oricrui strat, conine un singur orbital, numerotat cu 0; al doilea substrat (l=1) al oricrui strat conine trei orbitali, -1, 0, 1; al treilea substrat (l=2) conine cinci orbitali, numerotai cu -2, -1, 0, 1 i 2; etc.

    Proprietatea de spin a electronilor a fost descoperit pe cale experimental. O observaie mai atent a liniilor spectrale a reliefat faptul c fiecare linie este de fapt o pereche de linii foarte apropiate una de cealalt, ipoteza fiind c aceast structur este rezultatul spin-ului fiecrui electron n jurul propriei sale axe. Atunci cnd sunt excitai, electronii cu spin diferit vor emite energie sub frecvene diferite.

    Numrul de spin este simbolizat prin ms

    Principiul de excluziune al lui Pauli

    . n fiecare orbital, din fiecare substrat al fiecrui strat, pot exista doi electroni, unul cu spin +1/2, iar cellalt cu spin -1/2.

    Explicarea aezrii electronilor n atom cu ajutorul acestor numere cuantice poart numele de principiul de excluziune al lui Pauli. Acest principiu spune c, n acelai atom, nu pot exista doi electroni care s ocupe exact aceleai stri cuantice

    Notaia spectroscopic

    . Cu alte cuvinte, fiecare electron al unui atom posed un set unic de numere cuantice. Acest lucru impune o limit a numrului de electroni ce pot ocupa orice orbital, substrat sau strat.

    O metod practic i des ntlnit de descriere a acestui aranjament const n scrierea electronilor n funcie de straturile i substraturile ocupate; aceast convenie port numele de notaia spectroscopic. Sub aceast notaie,

  • 15

    numrul stratului este un numr ntreg pozitiv, substratul este o liter (s, p, d, f), iar numrul total de electroni dintr-un substrat (toi orbitalii i spinii inclui) este reprezentat printr-un indice superior.

    Structura atomului de Hidrogen

    Alturat prezentat aranjamentul electronic al atomului de hidrogen.

    Cu nucleul format dintr-un singur proton, este suficient un electron pentru ca atomul s ating echilibrul electrostatic (sarcina electric pozitiv a protonului este n echilibru cu sarcina electric negativ a electronului). Acest electron ocup stratul cel mai de jos (n=1), primul substrat (l=1), n

    singurul orbital (orientarea spaial) al acelui substrat (ml=0), cu un spin de 1/2. Folosind notaia spectroscopic, hidrogenul, avnd doar un singur electron n stratul inferior, se poate descrie prin notaia 1s1

    Structura atomului de Heliu

    .

    Trecnd la urmtorul atom (n ordinea numrului atomic), avem elementul heliu.

    Nucleul unui atom de heliu are n compoziia sa doi protoni, iar acest lucru necesit existena a doi electroni pentru a echilibra sarcina electric total a atomului. Din moment ce ambii electroni, unul cu spin 1/2, cellalt cu spin -1/2, ncap pe un singur orbital, configuraia atomului de Heliu nu necesit substraturi sau straturi suplimentare pentru cel de al doilea electron.

    Totui, un atom ce conine trei sau mai muli electroni, va necesita substraturi adiionale pentru toi acei electroni, din moment ce pe stratul inferior (n=1) ncap doar doi electroni.

    Structura atomului de Litiu

  • 16

    S considerm urmtorul atom, cel de litiu.

    Un atom de litiu folosete doar o fraciune din capacitatea stratului L (n=2), capacitatea total a acestuia fiind de opt electroni (capacitatea maxim a stratului = 2n2

    , unde n este numrul stratului).

    Structura atomului de Neon

    Dac examinm aranjamentul electronic al unui atom cu stratul L completat, putem vedea cum toate combinaiile de substraturi, orbitali i spini sunt ocupate de electroni. Elementul ce corespunde acestei configuraii este Neonul.

    Observaii

    Adesea, atunci cnd se folosete notaia spectroscopic a unui atom, toate straturile ce sunt ocupate complet sunt ignorate, fiind scrise doar straturile neocupate sau stratul ocupat superior. De exemplu, neonul (prezentat mai sus), ce are dou straturi complet ocupate, poate fi descris pur i simplu prin 2p6 n loc de 1s22s22p6. Litiul, avnd stratul K complet ocupat, i doar un singur electron n stratul L, poate fi descris prin notaia 2s1 n loc de 1s22s1.

  • 17

    Ignorarea straturilor inferioare, complet ocupate, nu este doar o convenie de scriere, ci ilustreaz foarte bine un principiu de baz al chimiei: comportamentul chimic al unui element este determinat n primul rnd de straturile sale neocupate. Att hidrogenul ct i litiul posed un singur electron n straturile superioare (1s1 i 2s1

    Elemente nobile

    ), iar acest lucru se traduce printr-un comportament similar al celor dou elemente. Ambele elemente sunt reactive, i au o reactivitate similar. Conteaz mai puin faptul c litiul posed un strat complet (K) n plus fa de hidrogen. Comportamentul su chimic este determinat de stratul su neocupat, L.

    Elementele a cror straturi superioare sunt ocupate complet

    02. Valena i structura cristalin

    , sunt clasificate ca elemente nobile, fiind aproape non-reactive fa de celelalte elemente. Aceste elemente au fost clasificate n trecut ca inerte, crezndu-se c sunt complet non-reactive, dar acestea pot forma compui cu alte elemente n condiii specifice.

    Atomii ncearc s-i completeze stratul exterior, de valen, cu toi cei 8 electroni (2 electroni pentru stratul inferior). Atomii pot dona, accepta sau mpri electroni pentru a completa un strat

    Atomii formeaz adesea structuri ordonate i rigide denumite Un

    cristale ion pozitiv

    Un se formeaz prin cedarea unui electron de ctre un atom neutru

    ion negativ Elementele semiconductoare din grupa IVA, C, Si i Ge au o structur cristalin de tip diamant. Fiecare

    atom al cristalului este parte a unei molecule gigantice, formnd legturi cu ali patru atomi

    se formeaz prin acceptarea unui electron de ctre un atom neutru

    Majoritatea dispozitivelor semiconductoare sunt confecionate din

    Electronii de valen

    monocristale

    Electronii din stratul exterior, sau stratul de valen

    Formarea ionilor i a moleculelor

    , sunt cunoscui sub numele de electroni de valen. Aceti electroni sunt responsabil de proprietile chimice ale elementelor. Acetia sunt electronii ce particip la reaciile chimice cu celelalte elemente.

    Conform unei reguli chimice simplificate, aplicabil reaciilor simple, atomii ncearc s-i completeze toate locurile libere ale stratului exterior cu electroni. Atomii pot ceda civa electroni pentru a descoperi un strat complet, sau pot accepta civa electroni pentru a completa ultimul strat (stratul exterior). Ambele procese duc la formarea ionilor. Atomii pot chiar s mpart electroni ntre ei n ncercarea de completare a stratului exterior, ducnd la formarea legturilor moleculare, adic, atomii se asociaz pentru formarea unei molecule.

  • 18

    Ioni pozitivi

    De exemplu, elementele din grupa I din tabelul periodic, Li, Na, K, Cu, Ag i Au au doar un singur electron de valen (numrul de electroni de pe ultimul strat). Toate aceste elemente posed proprieti chimice similare. Aceti atomi

    cedeaz un electron pentru a reaciona cu alte elemente, iar aceast proprietate face ca aceste elemente s fie conductoare excelente de electricitate. Cedarea electronilor

    Ioni negativi

    de ctre atomi duce la formarea ionilor pozitivi

    Elementele din grupa VIIA, Fl, Cl i BR, au toate cte 7 electroni n stratul exterior (stratul de valen). Aceste elemente accept un electron

    Definiia ionului

    pentru completarea stratului de valen la 8 electroni. n cazul n care aceste elemente

    accept un electron, ele formeaz ioni negativi. Din moment ce nu cedeaz electroni, aceste elemente sunt foarte buni izolatori electrici.

    De exemplu, un atom de Cl accept un electron al unui atom de Na devenind ion negativ Cl-, iar atomul de Na devine ion pozitiv, Na+. Un ion este un atom, molecul sau grupare de atomi care are un exces de

    sarcin electric pozitiv sau negativ. Acesta este modul n care Na i Cl se combin pentru formarea NaCl, sarea de mas, care este de fapt o pereche de ioni, Na+Cl-

    Exemple

    . Fiindc sarcinile celor doi ioni sunt de semn contrar, cei doi se atrag reciproc.

    Elementele din grupa a VIIIA, He, Ne, Ar, Kr i Xe au toate cte 8 electroni pe stratul de valen. Acest lucru nseamn c aceste elemente nici nu doneaz dar nici nu accept electroni, ne-participnd la reacii chimice cu alte elemente. Toate sunt izolatori electrici i

    se gsesc sub form de gaz la temperatura camerei.

  • 19

    Elementele din grupa IVA

    Structura cristalin

    , C, Si i Ge au toate cte 4 electroni n stratul de valen. Aceste elemente formeaz compui cu alte elemente, dar nu formeaz ioni. Acest tip de legtur este cunoscut sub numele de legtur covalent. Se poate observa c atomul din centru are completat stratul de valen prin punerea n comun a electronilor atomilor.

    Figura de mai jos este o reprezentare bidimensional a unui aranjament tridimensional. Elementele din aceast grup prezint proprietile semiconductoare pe care le vom studia n continuare.

    Majoritatea substanelor anorganice formeaz o structur ordonat denumit cristal atunci cnd se formeaz legturi ntre atomii sau ionii acestora

    Majoritatea metalelor sunt moi i uor deformabile pe cale industrial. n timpul prelucrrii, microcristalele sunt deformate, iar electronii de valen sunt liberi s se deplaseze prin reeaua cristalin, i de la cristal la cristal. Electronii de valen nu aparin unui atom anume, ci tuturor atomilor.

    . Chiar i metalele sunt compuse din cristale, la nivel microscopic. Practic ns, toate metalele industriale au o structur policristalin, n afar de materialele semiconductoare ce sunt monocristaline.

    Structura cristalin rigid a NaCl prezentat n figura alturat, este compus dintr-o structur regulat repetitiv format din ioni pozitivi de Na i ioni negativ de Cl. Odat ce atomii de Na i Cl formeaz ionii de Na+ i Cl- prin transferul unui electron de la Na la Cl, fr existena electronilor liberi, electronii nu sunt liberi s se deplaseze prin reeaua cristalin, o diferena mare fa de metale. Nici ionii nu sunt liberi. Ionii sunt liberi s se deplaseze doar dac NaCl este dizolvata n ap, dar n acest caz, cristalul nu mai exist. Materialele ionice formeaz structuri cristaline datorit atraciei electrostatice puternice dintre ionii ncrcai cu sarcini opuse

    Materialele semiconductoare

    .

    Materialele semiconductoare din grupa IV (C, Si, Ge), formeaz de asemenea cristale. Fiecare atom formeaz o legtur chimic covalent cu ali patru atomi. Cristalul format este practic o singur molecul. Structura cristalin este relativ rigid i rezist deformaiilor. Exist un numr relativ mic de electroni liberi prin cristal.

    03. Benzi de energie

  • 20

    Pentru ndeprtarea unui electron din banda de valen spre o band neocupat, superioar, denumit band de conducie, este nevoie de o anumit energie exterioar. Pentru deplasarea electronilor ntre straturi este nevoie de o energie mai mare dect pentru deplasarea lor ntre substraturi.

    Datorit faptului c banda de valen i cea de conducie se suprapun n cazul metalelor, energia necesar pentru deplasarea unui electron este mic. Prin urmare, metalele sunt conductori de electricitate foarte buni

    Spaiul foarte mare existent ntre banda de valen i cea de conducie n cazul materialelor izolatoare, necesit o energie foarte mare pentru deplasarea electronilor ntre aceste benzi. Din aceast cauz, aceste materiale sunt bune izolatoare i nu conduc electricitate

    Materialele semiconductoare au un spaiu relativ mic ntre banda de valen i banda de conducie. Semiconductorii puri nu sunt nici buni izolatori, nici buni conductori

    Nivelele energetice

    Fizica cuantic descrie starea electronilor dintr-un atom cu ajutorul celor patru numere cuantice. Aceste numere descriu strile permise ale electronilor dintr-un atom.

    La fel ca spectatorii dintr-un amfiteatru, ce se pot deplasa liberi ntre scaune i rnduri, i electronii i pot modifica starea n cazul existenei unei energii suficiente i loc pentru deplasarea acestora. Din moment ce nivelul stratului este strns legat de cantitatea de energie a unui electron, salturile ntre straturi (i chiar substraturi) necesit un transfer de energie. Pentru ca un electron s se poat deplasa pe strat mai nalt, acesta are nevoie de energie adiional dintr-o surs extern. Folosind analogia amfiteatrului, pentru a ajunge ntr-un rnd de scaune superior, este nevoie de o energie din ce n ce mai mare, deoarece persoana trebuie s urce la o nlime tot mai mare ce necesit nvingerea forei gravitaionale. De asemenea, dac un electron coboar pe un strat inferior, acesta cedeaz energie. Aceste nivele poart numele de nivele energetice

    Nu toate salturile sunt ns egale, cele dintre straturi necesit cel mai mare schimb de energie, pe cnd salturile dintre substraturi sau dintre orbitali necesit un schimb de energie mai mic.

    Benzile de energie

    Cnd atomii se combin pentru formarea substanelor, straturile, substraturile i orbitalii exteriori se combin ntre ei, ducnd la creterea energiei disponibile pentru electroni. Cnd un numr foarte mare de atomi sunt foarte aproape unul de cellalt, aceste nivele de energie disponibile formeaz o band de electroni aproape continu, band pe care

    electroni se pot deplasa cu uurin.

  • E

    Laselsade

    C

    C

    Lbateen

    Electronii li

    imea acestosupra lor. n lectronii unuiau chiar deloeplasa foarte

    Cazul mater

    Cazul mater

    a temperaturianda de valenemperaturi nnergetic, iar

    iberi

    or benzi i disubstanele mi singur atomoc. Astfel, eleuor dac sun

    rialelor izo

    rialelor sem

    i joase, energn i cea condnalte ns, enr materialul s

    stana dintre metalice, benz

    m se pot deplaectronii din nt supui unui

    olatoare

    miconducto

    gia termic dducie este fonergia termice va comport

    ele determinzile libere se asa la un nive

    stratul exteri cmp electri

    oare

    isponibil peoarte mic, iarc devine suta precum un

    21

    mobilitatea suprapun cu

    el energetic mrior sunt cunic exterior.

    entru mpingr materialul seuficient de mmaterial cond

    electronilor benzile ce co

    mai mare necenoscui sub n

    Suprapuneresubstanele, afl n proxexist o disvalen (nivurmtoarea conducie. sunt legaimobili n caenergii exterformeaz ma

    gerea electroemiconductormare pentru ductor.

    n cazul apliconin electronesitnd foartenumele de el

    ea benzilor nindiferent de ximitate. n stana considvelul energetband goalPrin urmare, de atomii adrul substanrne consideraaterialele izol

    ns, masemicondenergeticde valenAstfel, necesar electronilde condmobili, es

    onilor de valer se comport

    a fora ele

    crii unui cmni, ceea ce ne puin energlectroni liberi

    u are loc nsnumrul atomcazul unor

    erabil ntre tic cel mai , denumit , electronii d

    lor i nu pelor fr ajuabile. Acesteatoare (dielec

    aterialele dinductorilor au oc ngust n i cele de cantitatea d

    pentru lor de valen

    ducie, de unste destul de m

    en peste spa precum un izctronii peste

    mp electric nseamn c gie extern i i se pot

    s n toate milor ce se substane, banda de mare) i

    banda de de valen pot deveni utorul unei e substane ctrice).

    n categoria o distan

    ntre benzile conducie. e energie

    trecerea n banda nd devin modest.

    aiul dintre zolator. La

    e distana

  • 22

    04. Electroni i goluri

    Golurile reprezint absena electronilor din banda de valen Materialele semiconductoare pure, cu un procent de 1 parte la 10 miliarde, nu sunt bune conductoare Materialele semiconductoare de tip N sunt dopate cu o impuritate pentavalent pentru crearea electronilor

    liberi. Un astfel de material este conductor, iar purttorii de sarcin majoritari sunt n acest caz electronii Materialele semiconductoare de tip P sunt dopate cu o impuritate trivalent i duce la crearea unei

    abundene de goluri n structura semiconductorului. Un astfel de material este conductor, iar purttorii de sarcin majoritari sunt n acest caz golurile

    Scop

    Materialele semiconductoare pure sunt izolatori relativ buni, n comparaie cu metalele, dar nu sunt la fel de bune precum sticla, de exemplu. Pentru a putea fi folosit n aplicaii cu semiconductori, materialul semiconductor pur, nedopat, nu trebuie s conin mai mult de o impuritatea la 10 miliarde de atomi semiconductori. Acest lucru este analog unei impuriti sub form de un fir de praf ntr-un sac de zahr. Materialele semiconductoare impure sunt conductoare mult mai bune, dar nu la fel de bune precum metalele. De ce se ntmpl acest lucru? Pentru a putea rspunde acestei ntrebri, trebuie s ne uitm la structura electronic a acestor materiale.

    Structura electronic a semiconductorilor

    n figura alturat (a), cei patru electroni din stratul de valen a unui material semiconductor formeaz legturi covalente cu ali patru atomi. Toi electronii unui atom formeaz legturi covalente. Electronii nu se pot deplasa liberi n structura cristalului. Prin urmare, semiconductorii puri (intrinseci) sunt izolatori relativ buni n comparaie cu metalele. Energia termic poate elibera ocazional un electron

    din structura cristalin a semiconductorului. Acest electron se poate deplasa liber prin structura cristalului (electron liber). Cnd acest electron a fost eliberat cu ajutorul unei energii exterioare, a lsat n urma lui un loc liber cu sarcin pozitiv n structura cristalului, sarcin cunoscut sub numele de gol. Acest gol nu este nici el fix, ci se poate deplasa liber. Att electronul, ct i golul contribuie la conducia electric a cristalului. Electronul este liber pn n moment n care cade ntr-un gol, proces cunoscut sub numele de recombinare

    Doparea materialelor semiconductoare

    . Dac se aplic un cmp electric extern asupra semiconductorului, electronii i golurile se vor deplasa n direcii opuse. Creterea temperaturii duce le creterea numrului de electroni i goluri i la descreterea rezistenei. Acest lucru este exact opus comportamentului metalelor, unde rezistena crete odat cu creterea temperaturii datorit creterii coliziunilor dintre electroni i structura cristalin. Numrul de electroni i goluri ntr-un semiconductor intrinsec este egal. Totui, viteza de deplasare ai celor doi purttori de sarcin (electroni i goluri) nu este egal la aplicarea unui cmp electric extern. Cu alte cuvinte, mobilitatea celor doi purttori de sarcin nu este aceeai.

  • 23

    Materialele semiconductoare pure nu sunt foarte folositoare. Acestea trebuie s prezinte un nivel nalt de puritate nainte de adugarea impuritilor specifice.

    Materialele semiconductoare pure (1 parte la 10 miliarde), pot fi murdrite cu aproximativ 1 parte la 10 milioane pentru creterea numrului de purttori de sarcin. Adugarea unei impuriti precise

    Impuritatea donoare de tip N

    unui material semiconductor este cunoscut sub numele de dopare. Doparea crete conductivitatea semiconductorului, pentru ca acesta s se comporta mai mult ca un metal dect ca un izolator.

    Creterea numrului sarcinilor electrice negative din structura cristalin a unui material semiconductor se poate realiza prin doparea cu electroni a unui material donor precum fosforul. Materialele donatoare de electroni, cunoscute i sub numele de materiale de tip N, includ elemente din grupa VA a tabelului periodic: N (azot), P (fosfor), As (arsenic) i Sb (stibiu sau antimoniu). Azotul i fosforul sunt folosite ca dopani de tipul N pentru diamant, iar fosforul, arsenicul i stibiul sunt folosite ca i dopani pentru siliciu.

    Structura cristalin din figura alturat conine atomi avnd cte patru electroni n stratul de valen, formnd cte patru legturi covalente cu atomii adiaceni. Aceasta este structura anticipat a materialului semiconductor.

    Adugarea unui atom de fosfor cu cinci electroni n stratul de valena introduce un electron suplimentar n structura materialului, n comparaie cu atomul de siliciu (figura alturat (b)). Impuritatea pentavalent formeaz patru legturi covalente cu patru atomi de siliciu cu ajutorul a patru electroni din cei cinci disponibili. Structura astfel format va dispune de un electron liber, rmas de la atomul de fosfor, ce nu are o legtur foarte strns cu cristalul la fel cum au ceilali electroni de siliciu, fiind liber s se deplaseze n cristal. Din moment de am dopat semiconductorul cu un atom de fosfor la fiecare 10 milioane de atomi de siliciu, exist relativ puini electroni liberi creai prin dopaj, dac facem o comparaie cu numrul de atomi de siliciu prezeni n structur. Totui, dac facem o comparaie ntre numrul de electroni liberi ai materialului dopat cu materialul pur, numrul de electroni liberi este relativ mare. Aplicarea unui cmp electric extern produce o conducie electric puternic a materialului semiconductor dopat n banda de conducie. Un nivel de dopaj mai ridicat, produce o conducie i mai puternic. Astfel, un material conductor cu o conductivitate sczut, a fost transformat ntr-un material conductor destul de bun.

    Impuritatea acceptoare de tip P

    De asemenea, este posibil introducerea unei puriti cu trei electroni n stratul de valen, adic un electron n minus fa de siliciu. Acest lucru duce la formarea unui gol, un purttor de sarcin pozitiv. Atomul de bor (B), ce are trei electroni pe stratul de valen, ncearc s realizeze patru legturi covalente cu atomii de siliciu, iar pe parcursul acestui proces, cei trei electroni se vor deplasa ncercnd s formeze aceste legturi (figura de mai sus (c)). Acesta lucru duce la impresia c golul se deplaseaz. Mai mult, atomul trivalent de bor poate mprumuta un

  • 24

    electron de la un atom de siliciu adiacent (sau distant) pentru formarea celor patru legturi covalente. Dar acest lucru nseamn ca atomul de siliciu are un deficit de un electron. Cu alte cuvinte, golul s-a deplasat pe un atom de siliciu vecin. Golurile se regsesc n banda de valen, cu un nivel mai jos dect banda de conducie. Doparea cu un acceptor - un atom ce poate accepta un electron - creaz o deficien de electroni n structura materialului, sau un exces de goluri

    Deplasarea electronilor i a golurilor

    (cele dou exprimri sunt echivalente). Din moment ce golurile sunt purttori de sarcin pozitiv, un dopant acceptor de electroni poart numele de dopant de tip P. Elementele dopante de tip P includ elementele din grupa IIIA a tabelului periodic: B (bor), Al (aluminiu), Ga (galiu) i In (indiu). Borul este folosit pe post de dopant pentru siliciu i diamant, iar indiul pentru germaniu.

    Exist o strns legtur, n analogia mrgelelor dintr-un tub, ntre deplasarea golurilor i deplasarea electronilor. Mrgelele reprezint electronii dintr-un conductor. Deplasarea electronilor de la stnga la dreapta ntr-un semiconductor de tip N se poate explica astfel: electronul intr n tub prin partea stng i iese prin partea dreapt. Deplasarea electronilor de tip N are loc n banda de conducie. Putem compara aceast deplasare cu deplasarea golurilor n banda de valen.

    Ceea ce trebuie neles este c electronii se deplaseaz n direcia contrar de deplasare a golurilor. Golurile nu sunt altceva dect absena electronilor din banda de valen

    Deplasarea electronilor (curent) ntr-un semiconductor de tip N este similar deplasrii electronilor dintr-un conductor metalic. Atomii materialului dopant de tip N furnizeaz electroni pentru conducie. Aceti electroni poart numele de

    , avnd prin urmare o sarcin pozitiv, sarcin datorat prezenei protonilor din nucleu, i de fapt aceasta este sarcina imaginar pe care o reprezentm cu ajutorul golurilor.

    purttori de sarcin majoritari

    . Dac aplicm un cmp electric ntre dou puncte ale unui material semiconductor, electronii intr prin partea negativ (-) a materialului, traverseaz structura acestuia i ies prin partea dreapt (+), terminalul pozitiv al bateriei.

  • 25

    05. Jonciunea P-N

    Jonciunile PN sunt fabricate dintr-o bucat mono-cristalin de material semiconductor i conin att regiuni dopate cu materiale de tip P ct i regiuni dopate cu materiale de tip N, regiuni separate printr-o jonciune

    Transferul electronilor de la materialul de tip N spre golurile materialului de tip P, produce o barier de potenial n jurul jonciuni. Valoarea acesteia este de 0,6-0,7 V pentru siliciu, dar poate varia n cazul altor semiconductoare

    Jonciunea PN polarizat direct, conduce curent electric Jonciunea PN polarizat invers, nu conduce aproape deloc curent

    Formarea jonciunii PN

    Dou blocuri distincte de material semiconductor

    Dac un bloc de material semiconductor de tip P este adus n contact cu un bloc de material semiconductor de tip N (figura alturat), rezultatul este nesatisfctor. Vom avea dou blocuri conductoare aflate n contact unul cu cellalt, dar fr proprieti unice. Problema const n existen a dou corpuri cristaline distincte i separate. Numrul de electroni este echilibrat de numrul de goluri n ambele blocuri. Astfel, niciunul dintre cele dou blocuri nu are o sarcin net

    Utilizarea unui singur cristal semiconductor

    .

    Totui, dac un singur cristal semiconductor este confecionat (dopat) cu un material de tip P la un capt, i un material de tip N la cellalt capt, combinaia respectiv prezint unele proprieti unice. n materialul de tip P, majoritatea purttorilor de sarcin sunt goluri, acetia putndu-se deplasa liberi prin structura cristalului. n materialul de tip N majoritatea purttorilor de sarcin sunt electroni, i acetia putndu-se deplasa liberi prin structura cristalului. n jurul jonciunii ns (intersecia dintre cele dou tipuri de materiale), electronii materialului N trec peste jonciune i se combin cu golurile din materialul P (figura alturat). Regiunea materialului P din apropierea jonciunii capt o sarcin negativ datorit

    electronilor atrai, iar regiunea materialului N din apropierea jonciunii capt o sarcin pozitiv datorit electronilor cedai. Stratul subire al acestei structuri cristaline, dintre cele dou sarcini de semne contrare, va fi golit de majoritatea purttorilor de sarcin, prin urmare, acesta este cunoscut sub numele de zona de golire, i devine un material semiconductor pur, non-conductor. De fapt, aproape c avem un material izolator ce separ cele dou regiuni conductive P i N.

  • 26

    Bariera de potenial

    Aceast separare de sarcini n jurul jonciunii P-N

    Polarizarea direct a jonciunii PN

    (zona de golire) constituie n fapt o barier de potenial. Aceast barier de potenial trebuie s fie nvins de o surs de tensiune extern pentru a se putea comporta precum un material conductor. Formarea jonciunii i a barierei de potenial are loc n timpul procesului de fabricaie. nlimea barierei de potenial depinde de materialele folosite pentru fabricarea acestuia. Jonciunile PN din siliciu au o barier de potenial mai ridicat dect jonciunile fabricate din germaniu.

    n figura alturat , bateria este poziionat astfel nct electronii s se deplaseze dinspre terminalul negativ nspre materialul de tip N. Aceti electroni se adun n jurul jonciunii. Terminalul pozitiv nltur electronii din materialul semiconductor de tip P, ceea ce duce la crearea golurilor ce se ndreapt i ele spre jonciune. Dac tensiunea bateriei este suficient de mare pentru a depi potenialul jonciunii (0,6 V n cazul siliciului), electronii materialului N i golurile

    materialului P se combin i se anihileaz reciproc. Acest lucru duce la crearea unui spaiu liber n structura materialului ce poate susine o deplasare i mai mare de purttori de sarcin spre jonciune. Astfel, curenii purttorilor de sarcin majoritari de tip N (electroni) i de tip P (goluri) se deplaseaz nspre jonciune. Recombinarea ce are loc la jonciune permite curentului bateriei s se deplaseze prin jonciunea PN a unei astfel de diode. n acest caz, spunem c o astfel de jonciune este polarizat direct.

    Polarizarea invers a jonciunii PN

    Dac polaritatea bateriei este inversat (figura alturat), majoritatea purttorilor de sarcin vor fi atrai dinspre jonciune spre terminalii bateriei. Terminalul pozitiv al bateriei atrage purttorii de sarcin majoritari (electronii) ai materialului N, iar terminalu negativ al bateriei atrage purttorii de sarcin majoritari (golurile) ai materialului P. Acest fapt duce la creterea grosimii zonei de golire non-conductive. Nu are loc nicio recombinare a purttorilor de sarcin, prin urmare, nu are loc nicio conducie. n acest caz, spunem c jonciunea PN este

    polarizat invers.

    Ceea ce am creat mai sus prin doparea aceluiai cristal att cu material de tip N ct i cu material de tip P, este o diod

    .

  • 27

    06. Dioda

    Definiia i simbolul diodei

    Dup cum am precizat i n seciunea precedent, dioda este realizat prin introducerea de impuriti de tip N i P n acelai cristal semiconductor. Simbolul schematic al diodei este prezentat n figura alturat (b), i corespunde semiconductorului dopat de la (a). Dioda este un dispozitiv unidirecional

    (vezi jonciunea PN). Deplasarea electronilor se poate realiza doar ntr-o singur direcie, invers fa de direcia sgeii, atunci cnd dioda (jonciunea PN) este polarizat direct. Catodul, din reprezentarea diodei, reprezint semiconductorului de tip N, iar anodul corespunde materialului dopat de tip P.

    Polarizarea direct a diodei

    Dac dioda este polarizat direct, curentul crete foarte puin pe msur ce tensiune crete de la 0 V. n cazul n care materialul semiconductor din care este confecionat dioda este siliciu, curentul ncepe s creasc doar dup ce tensiunea atinge valoarea de 0,6 V. Dac tensiunea crete peste valoarea de 0,6 V, valoarea curentului crete foarte rapid. O tensiune peste 0,7 V poate foarte uor s duc la distrugerea diodei. Aceast tensiune de deschidere a diodei n jurul valorii de 0,6 V, poart numele de tensiune de polarizare direct a diodei. Sub aceast valoare, dioda este nchis, i nu exist curent pe la bornele acesteia. Dei pentru siliciu tensiunea de polarizare direct este de 0,6-0,7 V,

    pentru germaniu aceasta este de 0,3 V, iar pentru LED-uri de civa voli. Curentul ce strbate dioda la polarizarea direct poart numele de curent direct

    Polarizarea invers a diodei

    , iar acesta poate lua valori cuprinse ntre civa mA, pn la sute sau mii de amperi pentru diodele de putere.

    Dac dioda este polarizat invers, curentul invers va avea o valoarea foarte mic, care n condiiile cele mai extreme poate ajunge la un maxim de 1 A (figura de mai sus, stnga). Valoarea acestui curent nu crete semnificativ odat cu creterea tensiunii de polarizare invers, dect la atingerea punctului de strpungere. Cnd punctul de strpungere este atins, curentul prin diod crete la o valoare att de mare, nct poate duce la distrugerea diodei dac nu exist un rezistor serie pentru limitarea curentului prin diod. De obicei se alege o diod a crei tensiune de strpungere este mai mare dect valoarea tensiunilor aplicate la bornele sale. Diodele din siliciu au de obicei tensiuni de strpungere de la 50, 100, 200, 400, 800 V sau chiar mai mare.

  • 28

    Curentul de dispersie

    Am menionat mai sus c exist un curent de dispersie de sub un A, pentru diodele de siliciu, la polarizarea invers. Explicaia const n faptul c energia termic produce cteva perechi de electroni-guri, ce duc la apariia unui curent de dispersie pn la recombinare. Practic, acest curent previzibil este doar o parte a curentului de dispersie total. O mare parte a acestui curent se datoreaz conduciei de suprafa datorit impuritilor de la suprafaa conductorului. Ambele tipuri de cureni de dispersie cresc odat cu creterea temperaturii. n cazul germaniului, curentul de dispersie este de cteva ori mai mare dect n cazul siliciului.

    Dioda cu jonciune

    Dei la nceput, cea mai folosit diod a fost dioda cu contact punctiform (figura alturat (a)), majoritatea diodelor folosite astzi sunt diode cu jonciune (figura alturat (b)). Dei jonciunea PN din figur este puin mai complex dect o jonciune normal, aceasta este tot o jonciune PN. Pornind de la catod, N+ indic faptul c aceast regiune este dopat puternic, i nu are legtur cu polaritatea. Acest lucru reduce rezistena serie a diodei.

    Regiunea N-

    Observaii

    din nou, nu are nicio legtur cu polaritatea, ci indic faptul c aceast regiune este mai puin dopat, ceea ce duce la o diod a crei tensiune de strpungere invers este mult mai mare, lucru important pentru diodele de putere folosite n redresare.

    Diodele de puteri mai mici, chiar i redresoarele de putere de tensiuni mai mici, vor avea pierderi de polarizare direct mult mai mici datorit dopajului mai puternic. Cel mai mare nivel de dopaj este folosit pentru diodele Zener, proiectate pentru tensiuni de strpungeri mici. Totui, un dopaj puternic duce la creterea curentului invers de dispersie. Regiunea P+

    07. Tranzistorul bipolar cu jonciune (BJT)

    de la anod, reprezint un material semiconductor, puternic dopat, de tip P, o foarte bun strategie pentru realizarea contactului. Diodele de jonciune mici, ncapsulate n sticl, pot conduce cureni de ordinul zecilor sau sutelor de mA. Diodele de putere redresoare, ncapsulate n plastic sau ceramic, pot conduce cureni de ordinul miilor de amperi.

    Tranzistorii bipolari conduc curentul folosind ca purttori de sarcin att electroni ct i goluri n cadrul aceluiai circuit. De aici i denumirea de bipolar

    Funcionarea corect a unui tranzistor bipolar ca i amplificator de curent necesit polarizarea invers a jonciunii colector-baz i polarizarea direct e jonciunii emitor-baz

  • 29

    Amplificarea n curent a tranzistorului este exprimat prin relaia =IC / IB

    Scurt istoric

    , iar valoarea ei este de la 100 la 300 pentru tranzistorii mici

    Primul tranzistor bipolar a fost inventat la Bell Labs de ctre William Shockley, Walter Brattain, i John Bardeen n 1948 (de fapt, 1947, dar invenia a fost publicat doar n 1948). Pentru aceast descoperire, cei trei au fost recompensai cu premiul Nobel pentru fizic n anul 1956.

    Definiia tranzistorului

    Tranzistorul bipolar cu jonciune este un semiconductor format din trei straturi, dou de tip N i unul de tip P (NPN). Contactele celor trei straturi poart numele de emitor i colector pentru semiconductorii de tip N, i baz

    Structura tranzistorului

    pentru semiconductorul de tip P. Configuraia este asemntoare unei diode, doar c mai exist un strat N n plus. Stratul din mijloc ns, baza, trebuie s fie ct mai subire cu putin, fr a afecta suprafeele celorlalte dou straturi, emitorul i colectorul.

    Dispozitivul din figura alturat este format din dou jonciuni, una ntre emitor i baz, iar cealalt ntre baz i colector, aceste jonciuni formnd dou zone de golire.

    Polarizarea jonciunii baz-colector

    n mod normal, jonciunea baz-colector a tranzistorului este polarizat invers (b). Acest lucru duce la creterea regiunii de golire. Aceast tensiune poate fi de civa voli pn la zeci de voli pentru majoritatea tranzistorilor. n acest caz, nu exist curent n circuitul colectorului, exceptnd curentul de dispersie de o valoarea foarte mic.

  • 30

    Polarizarea jonciunii emitor-baz

    Putem aduga o surs de tensiune i n circuitul emitor-baz al tranzistorului (figura alturat). n mod normal, jonciunea emitor-baz este polarizat direct

    Dac regiunea bazei ar fi mult mai mare, ca i n cazul poziionrii spate-n-spate a dou diode, tot curentul ce intr n baz prin emitor, ar iei prin contactul bazei spre borna pozitiv a bateriei.

    , n ncercarea de depire a barierei de potenial de aproximativ 0,6 V. Acest lucru este similar polarizrii directe a jonciunii diodei. Tensiunea acestei surse trebuie s depeasc valoarea de 0,6 V pentru ca majoritatea purttorilor de sarcin (electroni pentru NPN) s treac din emitor spre baz, devenind purttori de sarcin minoritari n semiconductorul de tip P.

    Totui, tranzistoarele sunt confecionate cu o baz foarte subire. O mic parte a purttorilor de sarcin majoritari din emitor, injectai ca i purttori de sarcin minoritari n baz, se recombin cu golurile acesteia (figura alturat). De asemenea, o mic parte a electronilor ce intr n baz pe la emitor trec direct prin baz spre borna pozitiv a bateriei. Dar majoritatea curentului din emitor trece prin suprafa subire a bazei direct n colector. Mai mult, modificarea curentului mic al bazei duce la modificri importante ale curentului din colector. Dac tensiunea bazei scade sub aproximativ 0.6 V, curentul emitor-colector scade la zero.

    Explicaie

  • 31

    S privim ns mai ndeaproape la acest mecanism de amplificare al curentului. Considerm o jonciune NPN mrit, cu accentul pus pe baz. Chiar dac nu sunt prezentate n figur, presupunem c jonciunea emitor-baz este polarizat direct de o surs de tensiune, iar jonciunea baz-colector este polarizat invers. Electronii, purttorii de sarcin majoritari, intr n emitor de la borna negativ a bateriei. Deplasarea electronilor dinspre baz corespunde cu deplasarea acestor dinspre baz spre borna pozitiv a bateriei. Acesta este un curent foarte mic fa de curentul din emitor.

    Majoritatea purttorilor de sarcin n emitorul de tip N sunt electronii, ce devin purttori de sarcin minoritar la intrarea n baza de tip P. Aceti electroni au patru posibiliti dup ce intr n baza de tip P. O mic parte cad n goluri (figura de sus (a)), lucru ce contribuie la curentul nspre terminalul pozitiv al bateriei. Dei nu este reprezentat pe figur, golurile pot trece din baz spre emitor, unde se recombin cu electronii, contribuind i acetia la curentul bazei. O alt mic parte din electroni (b) trec direct prin baz nspre terminalul pozitiv al bateriei, ca i cum baza ar fi un rezistor. Att (a) ct i (b) contribuie curentului foarte mic al bazei. Curentul bazei este aproximativ 1% din curentul emitor-colector, pentru tranzistoarele mici. Majoritatea electronilor din emitor ns (c), trec direct prin zona ngust de golire, nspre colector. Putem observa polaritatea zonei de golire ce nconjoar electronul (d). Cmpul electric intens trage electronul rapid n colector. Puterea cmpului electric este direct proporional cu tensiunea de alimentare a bateriei. astfel, 99% din curentul emitorului trece n colector. Aceast trecere este ns controlat de curentul bazei, ce reprezint aproximativ 1% din curentul emitorului. Acest lucru reprezint o amplificare de curent de 99, reprezentat de raportul dintre curentul colectorului i curentul bazei (IC/IB

    Eficiena emitorului

    ), cunoscut i ca .

    Difuzia electronilor emitorului prin baz i nspre colector este posibil doar dac baza este foarte subire. Ce s-ar ntmpla cu aceti purttori de sarcin dac baza ar fi de 100 de ori mai groas? Este foarte posibil ca majoritatea dintre ei, 99% n loc de 1%, s cad n goluri, nemaiajungnd la colector. Prin urmare, curentul de baz poate controla 99% din curentul emitorului, doar dac 99% din curentul emitorului trece nspre colector. Dac ntreg curentul iese pe la baz, controlul nu este posibil.

    Un alt motiv pentru care 99% dintre electroni trec din emitor, peste bariera de potenial i n colector, este c jonciunile bipolare reale folosesc un emitor mic dopat puternic. Concentraia mare a electronilor din emitor foreaz trecerea acestora n baz. Concentraia mic a dopajului din baz nseamn c exist mult mai puine goluri ce trec n emitor (lucru ce doar ar crete curentul bazei). Difuzia purttorilor de sarcin dintre emitor spre baz, este puternic favorizat.

    Faptul c baza este subire iar emitorul puternic dopat, in foarte sus eficiena emitorului, 99% de exemplu. Acest lucru corespunde ramificaiei curentului emitorului de 100% n 1% baz i 99% colector. Eficien emitorului se exprim astfel:

    Jonciunea PNP

  • 32

    Tranzistoarele bipolare pot fi confecionate i sub forma PNP. Diferena dintre PNP i NPN poate fi vzut n figura alturat.

    Diferena const n polaritatea jonciunilor baz-emitor, polaritate semnalat cu ajutorul sgeii emitorului n simbolul tranzistorului. Direcia sgeii este asemenea direciei anodului jonciunii unei diode, mpotriva sensului real de deplasare al electronilor. Pentru tranzistorii NPN, direcia sgeii este dinspre baz spre emitor, iar n cazul tranzistorilor PNP, direcia este dinspre emitor spre baz. Colectorul nu este reprezentat n niciunul dintre cazuri cu ajutorul vreunei sgei. Totui, polaritatea jonciunii baz-colector este aceeai cu polaritatea jonciunii baz-emitor n comparaie cu o diod.

    Structura

    Emitorul tranzistorului bipolar cu jonciune de mai jos este puternic dopat, dup cum indic i notaia N+

    Procentul de dopaj al colectorului este sczut, dup

    cum indic notaia N

    . Baza are un nivel de dopaj P normal, dar aceasta este mult mai subire n realitate dect este prezentat n aceast figur (a).

    -, pentru ca tensiunea de strpungere a jonciunii colector-baz s fie ct mai mare, ceea ce nseamn c sursa de tensiune poate alimenta tranzistorul la tensiuni mai mari. Tranzistoarele de siliciu mici, au o tensiune de strpungere de 60-80 V, dar aceasta poate ajunge la sute de voli pentru tranzistoarele de tensiune nalt. Dar, colectorul trebuie s fie n acelai timp dopat puternic pentru minimizarea pierderilor ohmice (datorit rezistenelor), n cazul n care tranzistorul trebuie s conduc cureni mari. ndeplinirea acestor cerine contradictorii se realizeaz prin doparea mai puternic a colectorului spre partea de contact metalic, i doparea mai uoar a colectorului n apropierea bazei n comparaie cu emitorul. Tensiunea de strpungere a jonciunii emitor-baz scade pn la aproximativ 7 V datorit doprii puternice a emitorului, n cazul tranzistorilor mici. i tot datorit acestei dopri puternice, jonciunea emitor-baz se comport precum o diod Zener polarizat invers.

  • 33

    Fabricarea mai multor tranzistoare pe acelai cip d natere unui circuit integrat

    Observaie

    , o reprezentare aproximativ a acestuia este dat n figura de mai sus (c).

    Calitatea tranzistorilor discrei de tip PNP este aproape la fel de bun precum cea a tranzistorilor NPN. Totui, tranzistorii PNP integrai nu sunt la fel de buni precum cei de tipul NPN, prin urmare, circuitele integrate folosesc tranzistori de tipul NPN n marea lor majoritate.

    08. Tranzistorul cu efect de cmp (FET)

    Conducia canalului unui tranzistor (unipolar) cu efect de cmp (FET sau JFET) se datoreaz unui singur tip de purttor de sarcin

    Sursa, poarta i drena unui JFET corespund emitorului, bazei i colectorului unui tranzistor bipolar Polarizarea invers a porii duce la variaia rezistenei canalului prin extinderea zonei de golire

    Scurt istoric

    Tranzistorul cu efect de cmp a fost propus de Julius Liliendfel n 1926 i 1933 sub form de patent. Shockley, Brattain i Bardeen au investigat i ei tranzistorul cu efect de cmp n 1947, dar dificultile ntmpinate n realizarea acestuia i-au dus n schimb la dezvoltarea tranzistorului bipolar. Teoria tranzistorului cu efect de cmp a lui Shockley a fost publicat n 1952, dar tehnologia de procesare a materialelor nu era suficient de bine dezvoltat, astfel c doar n anul 1960 s-a reuit fabricarea unui dispozitiv funcional de ctre John Atalla.

    Definiie

    Un tranzistor cu efect de cmp (FET - field effect transistor), este un dispozitiv unipolar

    , ceea ce nseamn c existena curentului depinde de un singur tip de purttori de sarcin. Dac dispozitivul se bazeaz pe un material semiconductor de tip N, purttorii de sarcin sunt electronii. Invers, pentru unul de tip P, purttorii de sarcin sunt golurile.

  • 34

    Modul de funcionare

    La nivelul circuitului, funcionarea tranzistorilor cu efect de cmp este simpl. O tensiune aplicat pe poart, elementul de intrare, controleaz rezistena unei regiuni unipolare dintre surs i dren denumit canal; ntr-un dispozitiv de tip N, aceast regiune este reprezentat de un material semiconductor dopat de tip N-, cu terminale la ambele capete. Sursa i drena sunt terminale echivalente cu emitorul i colectorul ntr-un tranzistor bipolar. Cu alte cuvinte, sursa este locul de plecare al purttorilor de sarcin, iar drena este locul nspre care acetia se deplaseaz. Poarta este echivalent bazei tranzistorului bipolar, iar n cadrul unui dispozitiv de tip N, este reprezentat de o regiune de tip P+

    n figura alturat este reprezentat zona de golire a jonciunii porii, datorit difuziei golurilor din regiunea de tip P (poart) n regiunea de tip N (canal). Aceast difuzie duce la separarea purttorilor de sarcin n zona jonciunii i o zon de golire non-conductiv la jonciune.

    Grosimea zonei de golire poate fi crescut prin aplicarea unei tensiuni moderate de polarizare invers (figura de mai sus(b)). Acest lucru duce la creterea rezistenei canalului surs-dren prin ngustarea acestuia. Creterea n continuare a tensiunii de polarizare invers duce la creterea zonei de golire, scderea grosimii canalului i creterea rezistenei acestuia (c). Peste un anumit nivel (d), tensiunea de polarizare invers, V

    (dopat puternic) prezent pe ambele laturi i n jurul canalului din centrul semiconductorului.

    n figura de mai sus, este prezentat un tranzistor cu efect de cmp cu jonciune (JFET). Poarta constituie o jonciune, i este polarizat invers pentru funcionarea corect a dispozitivului. Curentul dintre surs i dren poate exista n ambele direcii.

    GS va bloca curentul prin canal, rezistena acestuia fiind foarte mare. Tensiunea de blocare, VP este de civa voli n majoritatea cazurilor. Pe scurt, rezistena canalului surs-dren poate fi controlat cu ajutorul valorii de polarizarea invers a porii.

    Sursa i drena sunt interschimbabile, ceea ce nseamn c exist posibilitatea deplasrii electronilor n oricare dintre direcii pentru o tensiune mic a bateriei drenei (0,6 V). Cu alte cuvinte, bateria drenei poate fi nlocuit cu o surs de tensiune sczut n curent alternativ.

  • 35

    Pentru valori mai mari ale tensiunii drenei, de ordinul zecilor de voli pentru dispozitive mici, polaritatea alimentrii este cea prezentat n figura alturat (a). Atenie, n unele cri de specialitate, poarta (P) mai este denumit i gril (G), sau cele dou notaii sunt folosite chiar concomitent. Am ales n aceast carte s rmnem la denumirea de poart, iar aceasta este notat corespunztor pe desene cu P. n orice caz, cele dou exprimri sunt echivalente.

    Aceast surs de tensiune a drenei, ce nu este prezent n figurile precedente, distorsioneaz zona de golire, mrind-o nspre partea drenei. Aceasta este o reprezentare mult mai corect o tensiunilor de curent continuu ale drenei, de la civa voli la zeci de voli. Pe msur ce tensiunea dren-surs (UDS

    Tranzistorul cu efect de cmp cu canal de tip P

    ) crete, zona de golire dinspre dren crete spre aceast. Acest lucru duce i la creterea lungimii canalului, cu efecte asupra rezistenei (crete) acestuia. Totui, aceast cretere a rezistenei datorat creterii lungimii canalului este foarte mic n comparaie cu rezistena datorat polarizrii inverse a porii. n figura de mai sus (b) este prezentat i simbolul schematic al unui tranzistor cu efect de cmp cu canal de tip N. Sgeata porii indic aceeai direcie ca i jonciunea diodei, i corespunde regiunii de tip P. Celelalte dou extremiti (S i D), ce nu conin nicio direcie, corespund materialului semiconductor de tip N.

    n figura de mai sus este reprezentat i direcia curentului de la terminalul (-) a bateriei spre surs (S), apoi spre dren (D) i nspre terminalul (+) al bateriei. Acest curent poate fi controlat prin variaia tensiunii de polarizare invers a porii (P). O sarcin conectat n serie cu bateria vede o versiune amplificat a variaiei tensiunii de pe poart.

    Tranzistoarele cu efect de cmp pot fi realizate i cu canal de tip P, ceea ce nseamn c poarta este realizat dintr-un material semiconductor dopat de tip N+ (dopat puternic). Toate sursele de tensiune sunt inversate ntr-un circuit cu JFET de tip P faa de cel cu canal de tip N (figura alturat (a)). Sgeata n acest caz este ndreptat dinspre poart nspre sursa de polarizare invers (figura alturat (b)).

  • 36

    Modul de funcionare este asemntor tranzistorului cu efect de cmp cu canal de tip N prezentat mai sus.

    Confecionarea tranzistoarelor cu efect de cmp

    Dispozitivele discrete sunt confecionate conform figurii alturate (a), iar circuitele integrate cu tranzistoare cu efect de cmp, sunt confecionate conform figurii alturat (b). Poarta este dopat puternic, P+, pentru obinerea unei zone de golire ct mai mari. Sursa i drena acestui dispozitiv de tip N sunt i ele dopate puternic, N+, pentru obinerea unei rezistene de

    conexiune ct mai mici. Totui, canalul din jurul porii este dopat uor, N-

    Observaie

    , pentru a permite trecerea golurilor dinspre poart nspre canal.

    Curenia este absolut necesar n cazul producerii tranzistorilor cu efect de cmp. Dei este posibil producerea tranzistorilor bipolari n afara unui spaiu perfect curat, nu acelai lucru se poate spune i despre cei cu efect de cmp. Tranzistorul cu efect de cmp este mult mai simplu din punct de vedere conceptual dect cel bipolar, dar este foarte greu de produs.

    09. Tranzistorul cu efect