MATERIALE SEMICONDUCTOARE

Materialele semiconductoare au 4 electroni de valenta si au nevoie de o mica energie pentru a deveni liberi. Dintre acestea fac parte materialele pure cum ar fi:Ge,Si,Se ,Telur si compusi ale acestora. Conductivitatea la aceste materiale este de 2 feluri:-conductivitate intrinseca-conductivitate extrinseca A. Conductivitatea intrinseca se refera la materialul pur,fara impuritati,cum ar fi o retea cristalina de Ge .Fiecare atom de Ge este inconjurat de alti 4 atomi,fiecare atom punand in comun 2 cate 2,cei 4 electroni de valenta.Se formeaza astfel legaturi covalente si in jurul fiecarui atom de Ge cate un octet.Octetul si legatura covalenta sunt foarte stabile astfel ca la plecarea unui electron acesta devine liber lasand in urma un gol necompensat ,purtator de sarcina pozitiva.Numarul de electroni astfel formati va fie gal cu numarul golurilor.Sub influenta unui camp electric,purtatorii de sarcina,electronii liberi si golurile se vor misca in sens invers cu viteze egale.

Nr.e=nr.g v.e=vg

B.Conductivitatea extrinseca Aceasta se obtine introducand in reteaua de Ge,cantitati mici de atomi,de alte metale,avand valenta mai mare,sau mai mica. 4+1=5>P(fosfor) 4-1=3>Al(aluminiu) Impurificand reteaua de Ge cu cativa atomi de P,avand 5 electroni de valenta,fiecare impuritate va folosi 4 electroni pentru realizarea octetului,al 5-lea putand parasi usor atomul devenind electron liber fara a lasa in urma gol,pentru ca nu a plecat din legatura covalenta. Se pot forma si perechi de electroni si goluri,daca pleaca electroni din legaturi covalente.In total numarul de electroni liberi formati este mai mare decat numarul de goluri,conductivitatea fiind de tip ‘’n’’(de la sarcina purtatorilor majoritari).

Materialele semiconductoare sunt izolatoare la zero absolut dar conduc electricitatea, într-o anumita măsură, la temperatura camerei. Proprietatea definitorie a materialului semiconductor este aceea că poate fi dopat cu impurități care îi alterează,într-un mod controlabil, proprietățile electronice.

Din cauza faptului că materialele semiconductoare sunt elemente esențiale ale dispozitivelor electronice precum tranzistorul și laserul cu semiconductori, activitatea de cercetare pentru descoperirea unor noi materiale semiconductoare și de îmbunătățire a celor existente este un domeniu de cercetare important în cadrul disciplinei Ș tiin ț a Materialelor .

Cele mai utilizate materiale semiconductoare sunt materialele solide cristaline anorganice. Aceste materiale pot fi clasificate în funcție de grupele tabelului periodic în care se încadrează fiecare element chimic component.

Partea I. Materiale electronice

1. Tipuri de materiale electronice

Materialele electronice sunt utilizate pentru realizarea componentelor/dispozitivelor electronice. Aceste materiale au o structură cristalină în care atomii sunt legaţi între ei prin intermediul unor legături covalente la care participă electronii de valenţă ai atomilor din care este realizat materialul respectiv.

Din punct de vedere electric, materialele electronice se împart în trei mari categorii şi anume:

1 Conductoare2 Semiconductoare3 Izolatoare

În Figura 1 sunt prezentate cele mai uzuale elemente chimice utilizate pentru obţinerea materialelor din care sunt realizate componentelor/dispozitivele electronice.

Figura 1.

Proprietatea care diferenţiază cele trei tipuri de materiale electronice este conductibilitatea electrică (proprietatea unui material de a permite trecerea curentului electric). Conductibilitatea electrică a materialelor este determinată de apariţia purtătorilor de sarcină electrică, în anumite condiţii energetice şi de deplasarea acestora în structura internă a materialului respectiv.

Descrierea purtătorilor de sarcină electrică se realizează pe baza modelului simplificat al benzilor energetice al corpului solid. Conform acestui model, electronii atomului sunt plasaţi pe diferite nivele energetice, care pot fi grupate în benzi energetice.

Banda de valenţă. Există o bandă energetică în care toate nivelele energetice sunt ocupate de electroni.

Această bandă se numeste bandă de valenţă, iar electronii respectivi se numesc electroni de valenţă. În structura cristalină a materialului, aceşti electroni sunt legaţi prin legături covalente, fiind imobili.

Banda de conducţie. Electronul de conducţie.Banda energetică în care nivelele energetice au valorile cele mai mari se numeşte bandă

de conducţie. În această bandă, toate nivelele energetice sunt libere. Pentru ca un electron să poată ocupa un nivel energetic în benda de conducţie este necesar ca acesta să beneficieze de un aport energetic. Electronul care ocupă un nivel energetic din banda de conducţie se numeşte electron de conducţie.

Electronii de conducţie sunt liberi să se deplaseze prin structura cristalină a materialului. Aceşti electroni provin din electronii de valenţă care, pe baza aportului energetic provenit din exteriorul materialului, pot rupe legăturile covalente în care au fost iniţial fixaţi devenind electroni liberi. Datorită faptului că se pot deplasa, electronii de conducţie participă la generarea curentului electric prin structura unui material.

Apariţia unui curent electric în structura unui material presupune deplasarea orientată a unor purtători de sarcină electrică (în acest caz electronii) prin structura respectivă.

Diagrama benzilor energetice a materialelor electroniceTipul unui material electronic poate fi caracterizat de modul în care sunt dispuse benzile

energetice ale acestuia. Informaţiile despre dispunerea benzilor energetice sunt furnizate de către diagrama de benzi energetice a materialului respectiv.

În figura 2.a se prezintă diagrama benzilor energetice pentru materialele conductoare. Prin EC s-a notat nivelul energetic inferior al benzii de conducţie, iar prin EV s-a notat nivelul energetic superior al benzii de valenţă. Se observă că, pentru materialele conductoare, cele două benzi energetice prezintă o suprapunere. În acest caz, conducţia curentului electric este asigurată de către un singur tip de purtători de sarcină electrică şi anume electronul de conducţie.

În figura 2.b se prezintă diagrama benzilor energetice pentru materialele izolatoare, respectiv semiconductoare. În acest caz, se remarcă faptul că banda de conducţie este izolată de banda de valenţă de o a 3a bandă energetică, numită bandă interzisă. Banda interzisă grupează nivele energetice care NU sunt permise electronilor; electronii nu pot ocupa nivelele energetice din această bandă. Diferenţa dintre materialele semiconductoare şi cele izolatoare este dată de lăţimea benzii interzise, notate EG, la materialele izolatoare fiind mult mai mare (5eV; eV=electron-volt) decât la cele semiconductoare (1,1eV).

În cazul în care, materialul izolator sau semiconductor este supus acţiunii unui agent exterior (câmp electric, magnetic, căldură, lumină), se poate furniza unora dintre electronii de valenţă energia necesară depăşirii benzii interzise astfel încât aceştia pot ajunge pe un nivel energetic superior, aflat în banda de conducţie. În consecinţă, printr-un aport energetic extern suficient de mare, aceşti electroni de valenţă devin electroni de conducţie, fiind liberi să se deplaseze prin structura cristalină a materialului.

Prin plecarea unui electron din banda de valenţă, se eliberează un loc pe un nivel energetic din banda de valenţă, care, în continuare, poate fi ocupat de un alt electron de

valenţă, aflat pe un nivel energetic inferior în banda de valenţă. Locul liber, lasat prin plecarea unui electron de pe un nivel energetic al benzii de valenţă se numeşte gol.

La materialele semiconductoare şi izolatoare, fenomenele de conducţie ale curentului electric sunt generate de apariţia electronilor de conducţie şi a golurilor.

Figura 2.

2. Materiale semiconductoare

Sunt utilizate la obţinerea dispozitivelor semiconductoare: tranzistoare, diode, etc precum şi la realizarea circuitelor integrate.

2.1. Materiale semiconductoare intrinseci. Materialele semiconductoare intrinseci sunt materiale semiconductoare pure, la care

atomii din reţeaua cristalină sunt de un singur tip, din grupa aIVa a tabelului periodic al elementelor şi anume: Siliciul şi Germaniul. În prezent, cel mai utilizat element pentru obţinerea materialelor semiconductoare este siliciul, structura sa fiind prezentată în Figura 3.

Figura 3.

Revenind la diagrama benzilor energetice, la temperatura de 00K, electronii sunt plasaţi numai în banda de valenţă. Deoarece nu există electroni de conducţie (electroni liberi), în structura materialului semiconductor nu se generează curent electric.

La temperaturi mai mari de 00K, o parte a energiei termice este preluată de către electronii de valenţă, care, beneficiind de acest aport energetic, pot trece de nivelele energetice din banda interzisă şi ajunge pe nivelele energetice din banda de conducţie, devenind liberi să se deplaseze prin structura materialului.

Prin plecarea acestor electroni din banda de valenţă, locul ocupat iniţial de către aceştia pe nivelul energetic din banda de valenţă devine liber, altfel spus - gol. Acest gol poate fi ocupat de un alt electron de valenţă, fără un aport energetic substanţial. Acest al 2lea electron de valenţă, prin ocuparea nivelului energetic lăsat liber de primul electron, lasă la rândul lui un nou loc liber, un nou gol, pe nivelul energetic ocupat în banda de valenţă. Se constată astfel, o deplasare a golurilor în banda de valenţă, motiv pentru care şi golul este un purtător de sarcină mobil. Acest fenomen este prezentat în Figura 4.

Acelaşi fenomen poate fi explicat pe baza structurii reţelei cristaline a atomului de siliciu. La temperatura de 00K, atomii de siliciu sunt legaţi prin legături covalente la care fiecare dintre aceştia participă cu câte 4 electroni de valenţă. La nivelul reţelei cristaline, electronii de valenţă pot căpăta suficientă energie astfel încât să rupă legăturile covalente în care au fost fixaţi. Prin ruperea legăturii covalente, electronii de valenţă devin liberi (devin

Figura 4.

electroni de conducţie) şi lasă în urmă, la nivelul atomului de unde au plecat un gol, caracterizat printr-un un exces de sarcină pozitivă la nivelul atomului respectiv. Din acest motiv, golul respectiv poate fi echivalat, din punct de vedere electric, cu o sarcină electrică pozitivă fictivă. În continuare, dacă un alt electron de valenţă rupe o legătură covalentă, devenind liber, poate ocupa golul lăsat de primul electron de valenţă. Acest fenomen este sugerat în Figura 5.

Figura 5.

Purtători mobili de sarcină electricăPurtătorii mobili de sarcină electrică în semiconductoare sunt electronii de conducţie şi

golurile. Deoarece aceştia sunt mobili, se pot deplasa prin structura semiconductorului. În cazul în care deplasarea purtătorilor de sarcină este orientată (nu este haotică), fenomen care se poate observa, de exemplu, în cazul în care se aplică asupra semiconductorului un câmp electric, prin structura semiconductorului se observă apariţia unor fenomene de conducţie electrică (fenomene legate de generarea curentului electric). În consecinţă, fenomenele de conducţie în materialele semiconductoare sunt generate pe baza electronilor de conducţie şi a golurilor.

Generarea purtătorilor mobili de sarcinăDin cele prezentate mai sus se constată că, într-un material semiconductor, purtătorii

mobili de sarcină (electroni de conducţie şi goluri) sunt generaţi prin ruperea legăturilor covalente.

În plus, se constată că prin creşterea temperaturii, numărul de electroni de valenţă care capătă suficientă energie pentru a rupe legăturile covalente, creşte. În concluzie, prin creşterea temperaturii, tot mai multe legături covalente se rup şi astfel sunt generaţi tot mai mulţi purtători mobili de sarcină.

Mecanismul de generare a purtătorilor mobili de sarcină în semiconductoare pe baza creşterii temperaturii se numeşte generare termică de purtători de sarcină.

Din fenomenele descrise mai sus s-a constatat că, prin ruperea legăturilor covalente, electronii de conducţie şi golurile sunt generaţi în perechi.

Deoarece electronii de conducţie şi golurile sunt generaţi în perechi, concentraţiile de purtători mobili de sarcină electrică într-un semiconductor intrinsec sunt egale. Concentraţiile de purtători mobili de sarcină electrică într-un semiconductor se notează astfel:

n = concentraţia de electroni de conducţie, p = concentraţia de goluri.

Valoarea comună a acestor concentraţii se numeşte concentraţie intrinsecă şi se notează cu ni. În concluzie, pentru un semiconductor intrinsec este valabilă relaţia:

(1)

Concentraţia intrinsecă creşte cu creşterea temperaturii semiconductorului. La temperatura camerei, considerată 3000K, ni are valoarea 1,451010cm-3 pentru siliciu, respectiv 21013cm-3, la germaniu. În Figura 6 se prezintă modul în care variază cu temperatura T concentraţia intrinsecă a unui material semiconductor din siliciu.

Figura 6.

Recombinarea purtătorilor de sarcinăÎn cadrul semiconductoarelor, pe lângă mecanismul de generare a purtătorilor de sarcină

este prezent şi mecanismul invers, care duce la dispariţia purtătorilor de sarcină. Mecanismul respectiv se numeşte recombinare de purtători de sarcină şi este caracterizat prin revenirea electronilor de pe un nivel energetic superior, din banda de conducţie, pe un nivel energetic inferior, în banda de valenţă.

Revenirea în banda de valenţă a unui electron de conducţie duce atât la dispariţia unui electron de conducţie cât şi a unui gol.

Deci, mecanismul de recombinare a purtătorilor de sarcină duce la dispariţia în perechi a acestora.

2.2. Doparea materialelor semiconductoare. Materiale semiconductoare extrinseci.Fenomenul de dopare constă în introducerea în materialul semiconductor intrinsec, prin

diverse procedee controlate, a unor atomi diferiţi faţă de cei din Si sau Ge, denumiţi şi atomi de impuritate, în scopul modificării proprietăţilor electrice ale materialului semiconductor. Un material semiconductor dopat cu atomi de impuritate se numeşte material semiconductor extrinsec. Condiţia necesară ca un material semiconductor să fie extrinsec este ca concentraţia de atomi de impuritate cu care este dopat materialul semiconductor intrinsec, notată Nimpurităţi să fie mult mai mare decât concentraţia intrinsecă ni:

(2)

Materialele semiconductoare extrinseci sunt utilizate pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare: circuite integrate, tranzistoare sau diode.

Atomii de impuritate cu care se dopează materialele semiconductoare intrinseci sunt atomi din grupele V, respectiv III, din care cei mai frecvent utilizaţi sunt cei prezentaţi în Figura 7.

În funcţie de atomii de impuritate cu care sunt dopate materialele semiconductoare intrinseci, materialele semiconductoare extrinseci se împart în 2 categorii:

materiale semiconductoare de tip N materiale semiconductoare de tip P

Figura 7.

Materiale semiconductoare de tip NPentru obţinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este dopat cu

atomi de impuritate pentavalenţi, (din grupa a Va a tabelului periodic al elementelor chimice), care, în structura cristalină a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Patru din cei cinci electroni de valenţă a atomului de impuritate formează 4 legături covalente cu electronii de valenţă ai atomilor de Siliciu sau Germaniu învecinaţi, în timp ce al 5lea electron de valenţă al atomului de impuritate este slab legat, astfel că la temperatura camerei primeşte suficientă energie pentru a se desprinde de atomul de impuritate, devenind astfel electron liber, sau electron de conducţie, capabil să participe la fenomenele de conducţie, aşa cum este prezentat şi în Figura 8.

Figura 8.

Se constată că formarea electronului de conducţie nu este însoţită de generarea unui gol.

Electronii de conducţie obţinuţi în acest mod sunt generaţi prin doparea materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obţinere a electronilor de conducţie, aceştia mai pot fi generaţi şi prin mecanismul de generare termică (prin creşterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui electron de conducţie este însoţită de generarea unui gol.

Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului semiconductor de tip N, concentraţia de electroni de conducţie este mult mai mare decît cea de goluri. Din acest motiv, electronii de conducţie se numesc purtători de sarcină majoritari, iar golurile se numesc purtători de sarcină minoritari.

Deoarece atomul de impuritate cedează acest al 5lea electron de valenţă, el se numeşte

atom donor. În urma cedării celui de al 5lea electron, atomul donor devine ion pozitiv (se reaminteşte că un atom este neutru dpdv electric; prin cedarea unui electron, atomul respectiv devine ion pozitiv, iar prin primirea unui electron, atomul respectiv devine ion negativ).

Materiale semiconductoare de tip PPentru obţinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este impurificat

cu atomi trivalenţi, (din grupa a IIIa a tabelului periodic al elementelor chimice), cum ar fi borul, galiul, indiul, care, în structura cristalină a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Atomul de impuritate poate participa, prin cei trei electroni de valenţă ai săi, la formarea numai a trei legături covalente cu electronii de valenţă ai atomilor de siliciu sau germaniu învecinaţi, lăsând electronul de valenţă al celui de-al 4lea atom de siliciu învecinat fără legătură covalentă, astfel creînd un gol la nivelul atomului de impuritate respectiv.

Electronul de valenţă al celui de-al 4lea atom de siliciu învecinat (în Figura 9, atomul de siliciu din dreapta) poate forma o legătură covalentă cu un alt electron de valenţă al unui alt atom de siliciu învecinat, care, prin completarea acestei legături covalente, lasă la rîndul său, în urma sa un gol.

Figura 9.

Se constată că formarea unui gol nu este însoţită de generarea unui electron de conducţie.

Golurile obţinute în acest mod sunt generate prin impurificarea materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obţinere a golurilor, acestea mai pot fi generate şi mecanismul prin generare termică (prin creşterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui gol nu este însoţită de generarea unui electron de conducţie.

Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului semiconductor de tip P, concentraţia de goluri este mult mai mare decît cea a electronilor de conducţie. Din acest motiv, golurile se numesc purtători de sarcină majoritari, iar electronii de conducţie se numesc purtători de sarcină minoritari.

Deoarece atomul de impuritate primeşte un electron de valenţă de la un atom de siliciu învecinat, el se numeşte atom acceptor. În urma primirii acestui electron, atomul acceptor devine ion negativ.

Bibliografie:

1. C. Oriţă, M. Derevlean, Materiale Electronice, Editura VIE, Iaşi 20012. D. Dascalu, Dispozitve si Circuite Electronice, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1982.

2.1 Purtători de sarcină în semiconductoare 2.1.1 Conductoare, izolatoare, semiconductoare

Din punctul de vedere al proprietăţii corpurilor solide de a fi străbătute de curent electric sub acţiunea unei tensiuni electrice continue aplicate din exterior, acestea se împart în trei mari categorii: - conductoare (metalele); - semiconductoare; - izolatoare.

După cum s-a arătat anterior, în metale întâlnim o structură cristalină, unde în nodurile reţelei cristaline se găsesc plasaţi ioni pozitivi, în timp ce printre noduri se mişcă liber şi haotic electroni. Apariţia electronilor liberi se explică prin forţa de legătură foarte slabă a electronilor de valenţă. Concentraţia electronilor liberi este de ordinul 1028 m-3 şi nu depinde practic de temperatură. Rezistenţa electrică a metalelor este determinată de frecvenţa ciocnirilor electronilor liberi cu ionii pozitivi din nodurile reţelei. Ionii sunt într-o permanentă vibraţie termică în jurul unei poziţii de echilibru. Cu creşterea temperaturii, amplitudinea oscilaţiilor creşte, ceea ce frânează mişcarea de ansamblu a electronilor liberi sub acţiunea unui câmp electric exterior. Aşa se explică creşterea rezistenţei (rezistivităţii) metalelor cu temperatura. Din punct de vedere al conductivităţii σ (σ = 1/ρ), metalele înregistrează valori foarte mari, σm [10∈ 6, 108] Ω-1m-1. Există şi o categorie de materiale, numite izolatoare, pentru care conductivitatea este extrem de mică, σ i [10∈ -

12,10-20] Ω-1m-1. Electronii de valenţă ai atomilor acestor materiale sunt foarte puternic legaţi de atomi. Izolatoarele nu conduc curentul electric deoarece în interiorul lor, practic, nu există purtători liberi de sarcină

electrică. Aceste materiale, cum ar fi mica, materiale plastice, sticla, ceramica, marmura, hârtia, cauciucul etc. sunt foarte folosite în electrotehnică în general pentru a realiza diferite izolaţii electrice. 24 2. SEMICONDUCTOARE 25

Între metale şi izolatoare, din punct de vedere al conductivităţii, se plasează semiconductoarele, pentru care σs [10∈ 4, 10-8] Ω-1m-1. Spre deosebire de metale, la semiconductoare, conductivitatea creşte puternic cu temperatura (absolută), aşa cum se indică în fig. 2.1.

La temperaturi foarte coborâte, semiconductoarele sunt izolatoare, iar la temperaturi ridicate sunt conductoare destul de bune. În categoria semiconductoarelor intră o mare varietate de substanţe: oxizi, compuşi, elemente chimice ca siliciul, germaniul, seleniul, etc. În dispozitivele electronice semiconductoare, cele mai utilizate materiale sunt cristalele elementelor tetravalente Ge şi Si şi a unor compuşi intermetalici, îndeosebi GaAs (arseniură de galiu). În cazul semiconductoarelor, electronii de valenţă sunt legaţi de atom mai slab decât la materialele izolatoare. Aceste legături pot fi rupte dacă electronii primesc o energie suficientă devenind astfel electroni liberi. Pentru trecerea electronilor din stadiul de electroni legaţi de atom în starea de electroni liberi, trebuie transmisă o energie minimă ΔW, numită energie de activare. Pentru semiconductoare, energia de activare se plasează în domeniul 0,025 … 3 eV. Fiecare material semiconductor în parte este caracterizat de o anumită valoare a energiei de activare. Astfel, pentru Ge avem ΔW = 0,72 eV, pentru Si, ΔW = 1,1 eV, etc. Folosind acelaşi criteriu, al energiei de activare, putem constata că la metale, ΔW = 0, iar la izolatori, ΔW = 3 … 10 eV. Energia de activare la metale fiind nulă, la orice temperatură numărul electronilor liberi este acelaşi. În cazul izolatoarelor, energia de activare fiind foarte mare, prin încălzire, practic nu apar purtători liberi. Datorită valorilor mici, energia de activare poate fi transmisă electronilor de valenţă din materialele semiconductoare de energia de agitaţie termică a ionilor reţelei cristaline. Spre deosebire de metale, cu creşterea temperaturii în semiconductoare creşte numărul electronilor liberi. De exemplu, la Si pur, concentraţia electronilor liberi creşte de la 1017 m-3 (la temperatura camerei) până la 1024 m-3, la temperatura de 700 °C (legea 3/2).

Fig. 2.1 Variaţia cu temperatura a conductivităţii semiconductoarelor

T

σ SURSE ŞI CIRCUITE DE ALIMENTARE 26

2.1.2 Purtători de sarcină în semiconductoare. Semiconductoare intrinseci

La semiconductoare este caracteristic faptul că la conducţie participă pe lângă electronii liberi (de conducţie) şi electronii de valenţă, rămaşi legaţi de atomii din reţeaua cristalină. Pentru înţelegerea acestui tip de conducţie analizăm comportarea electronilor dintr-un cristal de germaniu. Atomul de germaniu are patru electroni de valenţă. În reţeaua cristalului de germaniu, fiecare atom este înconjurat echidistant de patru atomi. Fiecare electron de valenţă al unui atom formează o pereche cu un electron de valenţă din atomul vecin. Electronii devin comuni ambilor atomi. Acest tip de legătură, caracterizată prin punerea în comun a electronilor de valenţă între atomii vecini, se numeşte legătură covalentă. În fig. 2.2 a se reprezintă modelul spaţial al legăturilor unui atom de germaniu din reţeaua cristalină, iar în fig. 2.2 b modelul plan (simplificat) al legăturilor covalente dintre atomii de germaniu. Starea legăturilor din fig. 2.2 corespunde temperaturilor foarte scăzute, când cristalul se comportă ca un izolator aproape perfect. La temperaturi mai înalte, datorită caracterului fluctuant al energiei de agitaţie termică, o parte din electronii din legăturile covalente pot deveni electroni liberi, primind o energie (cel puţin) egală cu energia de activare. Electronii eliberaţi din atomii neutri lasă în locurile pe care le părăsesc ''goluri'', adică legături covalente nesatisfăcute. Sub acţiunea unui câmp electric exterior, electronii din unele legături covalente ale atomilor vecini

b

a

Fig. 2.2 a) Modelul spaţial al legăturilor unui atom dintr-un cristal rmaniu pur; b) Legăturile covalente ale cristalului de germapur (reprezentare simplificată în plan a

modelului spaţial) de ge niu

+

+

+

+

+2. SEMICONDUCTOARE 27

pot ''umple'' aceste ''goluri''. Ca urmare, în atomii de unde au plecat rămân alte ''goluri''. După apariţia unui ''gol'', un electron dintr-un atom vecin îl umple, lăsând în urma lui alt gol. Prin urmare, are loc o deplasare a electronului legat (de valenţă) într-un sens şi a golului în sens contrar. În acest fel, golurile se comportă ca nişte particule fictive, cu sarcină pozitivă +e şi masă mp , care se deplasează prin cristal şi contribuie, alături de electronii liberi, la conducţia electrică. Mişcarea electronilor liberi, eliberaţi din legăturile covalente, se poate reprezenta printr-o mişcare clasică, supusă legilor mecanicii newtoniene, sub acţiunea forţelor externe (câmpuri electrice exterioare), a unei particule fictive, numită electron de conducţie. Acesta are sarcina electrică -e şi o masă mn. În mn se include efectul câmpului electric periodic, datorat ionilor reţelei cristaline, electronul fiind supus doar forţelor externe, macroscopice. In concluzie, în semiconductoare participă la conducţie două tipuri de purtători de sarcină mobilă: electronii (negativi) şi golurile (pozitive). Într-un semiconductor pur, la echilibru termic, purtătorii mobili apar numai prin generarea termică a perechilor electron-gol. În acest fel, vor rezulta tot atâţia electroni de conducţie câte goluri. Semiconductorul în care concentraţia de electroni este egală cu cea de goluri se numeşte semiconductor intrinsec, iar concentraţia respectivă ni , concentraţia intrinsecă: n0 = p0 = ni (2.1) unde n0 şi p0 reprezintă concentraţiile de electroni, respectiv de goluri, în semiconductorul pur, la echilibru termic. Pentru o temperatură dată, n0 şi p0 sunt mărimi constante care depind de natura semiconductorului pur respectiv. 2.2 Semiconductoare cu impurităţi. Conductivitatea electrică a unui semiconductor cu impurităţi 2.2.1 Semiconductoare cu impurităţi Tipul conducţiei electrice intr-un semiconductor poate fi determinat şi de prezenţa şi de natura atomilor străini (impurităţi) în reţeaua sa cristalină. Procesul (tehnologic) de impurificare a unui semiconductor se numeşte dopare (sau dotare). Nivelele normale de dopare sunt foarte mici, de ordinul un atom de impuritate la 104 … 107 atomi de semiconductor din cristal. SURSE ŞI

CIRCUITE DE ALIMENTARE 28

În reţeaua cristalină se pot introduce două tipuri de impurităţi: a) dacă în cristalul de germaniu se introduc atomi pentavalenţi (de exemplu, arseniu), numai

4 din cei 5 electroni de valenţă se leagă covalent cu atomii vecini de germaniu, iar cel de-al cincilea se desprinde de atomul de impuritate şi devine electron liber (fig. 2.3). Pentru ca el să devină electron de conducţie, este suficientă o energie în jur de 0,01 eV, la Ge, respectiv 0,05 eV, la Si, capabilă să-l desprindă de atom. La temperatura camerei, practic toţi aceşti ai 5-lea electroni devin electroni de conducţie. Electronul cedat nu lasă însă o legătură nesatisfăcută; atomul de arseniu (As) devine ion pozitiv (devenind purtător de sarcină imobil). Impurităţile pentavalente creează deci, în reţeaua cristalină a germaniului un singur fel de purtători mobili de sarcină: electroni. Impurităţile care permit astfel de cedări de electroni liberi se numesc donori, iar semiconductorul cu atomi de impuritate donori se numeşte semiconductor extrinsec de tip n (negativ). În semiconductorul extrinsec de tip n, nn0 reprezintă concentraţia totală de electroni liberi la echilibru termic, proveniţi atât de la atomii de impuritate, cât şi datorită agitaţiei termice a reţelei, care generează perechi electron-gol. În acest caz, nn0 >>p0 şi semiconductorul are conductivitatea electrică mult mai mare decât conductivitatea aceluiaşi semiconductor în stare pură. Deoarece conducţia în acest caz se face în principal cu electroni, ea se numeşte conducţie de tip n. În semiconductorul de tip n, electronii sunt purtători majoritari, iar golurile sunt purtători minoritari. De exemplu, la 20 ºC, pentru Ge pur conductivitatea are valoarea σ = 2,2 Ω-

1m-1, iar Ge de tip n are σ = 102 Ω-1m-1. Conductivitatea semiconductorului este cu atât mai mare cu cât concentraţia purtătorilor de sarcină liberi este mai mare. b) În cristalul de germaniu se pot introduce impurităţi formate din atomi trivalenţi (indiu, galiu, bor, aluminiu). Şi în acest caz atomii de impuritate vor ocupa în reţea locul unor atomi de germaniu, având însă fiecare câte o legătură covalentă nesatisfăcută. Atomul trivalent de bor - de exemplu, are lipsă un electron

electron liber

Ge

Ge

Ge

Ge

As

Fig. 2.3 Legăturile covalente în cristalul de germaniu, în care un atom de germaniu a fost înlocuit cu un atom de impuritate pentavalent (arseniu) 2. SEMICONDUCTOARE 29

de legătură (fig. 2.4). Atomul de bor poate accepta un electron provenind de la o legătură Ge - Ge a unui atom vecin. Apare un gol care tinde să se completeze prin atragerea unui electron de valenţă de la un alt atom de germaniu vecin. Astfel, în reţeaua semiconductorului se formează un număr de goluri egal cu numărul atomilor de impuritate. Atomii de impuritate devin ioni negativi (ficşi) şi poartă denumirea de acceptori. Purtătorii de sarcină mobili majoritari sunt în acest caz golurile iar purtătorii mobili de sarcină minoritari sunt electronii liberi proveniţi din generarea de perechi electron-gol, pe seama fluctuaţiei energiei de agitaţie termică a reţelei. Deci, np0 >> n0 şi avem conducţie de tip p. 2.2.2 Conductibilitatea semiconductoarelor şi structura benzilor energetice Conform teoriei cuantice, atât în stratul de valenţă cât şi în cel de conducţie, electronii sunt caracterizaţi de valori cuantificate (discontinue) ale energiei. Nivelele energetice (posibile) ale electronilor de valenţă se grupează în banda de valenţă, iar a electronilor liberi în banda de conducţie. Cele două benzi sunt separate de banda interzisă. Se cunoaşte că pentru semiconductorul intrinsec, pur din punct de vedere chimic, la o anumită energie primită din exterior, un număr de electroni din stratul de valenţă părăsesc atomii respectivi, devenind electroni liberi ce participă la procese de conducţie. Aportul energetic exterior necesar este egal cu înălţimea ΔW a benzii interzise. În fig. 2.5 se prezintă structura benzilor energetice în cazul unui semiconductor intrinsec. Atunci când un electron de valenţă primeşte energie din exterior, el poate rupe legătura covalentă, devenind electron liber. Prin acest proces apare şi golul, care

gol

electron “împrumutat” de la atom de Ge vecin

Ge

Ge

Ge

Ge

B

Fig. 2.4 Formarea golurilor în cristalul de germaniu extrinsec dotat cu atomi de bor SURSE ŞI CIRCUITE

DE ALIMENTARE 30

participă la conducţie ca purtător de sarcină pozitivă. Ca urmare, electronul liber este un purtător al cărui nivel energetic corespunde benzii de conducţie, pe când golul este un purtător pozitiv, al cărui nivel energetic corespunde benzii de valenţă. Când un electron părăseşte atomul, devenind electron liber, spunem că se generează o pereche electron - gol. Într-un semiconductor intrinsec are loc un proces continuu de generare a perechilor electron - gol, a cărui intensitate depinde de energia primită de semiconductor, din exterior. Simultan, are loc şi un proces invers, de recombinare electron - gol, rezultând atomi neutri. Un semiconductor asupra căruia nu acţionează agenţi exteriori cum ar fi: câmp electromagnetic, radiaţii cu particule sau electromagnetice, se spune că se află la echilibru termic. În acest caz, concentraţiile de electroni şi goluri generaţi prin mecanism intrinsec, depind de temperatura absolută:

Δ−⎟⎠⎞⎜⎝⎛ ⋅==kTWTApnii2exp2/3 (2.2) unde ni , pi sunt concentraţiile de electroni şi goluri în semiconductorul intrinsec, T - temperatura absolută, k - constanta lui Boltzmann, ΔW - lăţimea benzii interzise, A - constantă, i - indice care arată că procesul se referă la semiconductor intrinsec. Dacă în semiconductor apare un câmp electric, electronii se vor mişca în sens invers câmpului, iar golurile în sensul liniilor de câmp. Se formează un curent de electroni ini , respectiv de goluri ipi , ambii în acelaşi sens (al liniilor de câmp). Curentul total de conducţie prin semiconductor este egal cu suma celor doi curenţi. Componentele curentului de conducţie nu sunt egale (ini > ipi), deoarece mobilităţile celor două tipuri de purtători nu sunt egale.

Fig. 2.5 Structura benzilor energetice la un semiconductor intrinsec

W

ΔW

Banda devalenţă

Banda deconducţie

Banda interzisă

Analiza folosind structura de benzi se aplică şi la semiconductoarele extrinseci. În cazul semiconductoarelor dopate cu impurităţi pentavalente (donoare), impurităţile introduc un nivel energetic în banda interzisă a semiconductorului, numit nivel donor, situat foarte aproape de banda de conducţie, ca în fig. 2.6. 2. SEMICONDUCTOARE

Cum valoarea ΔWd este foarte mică (0,01 … 0,05) eV la temperaturile ambiante obişnuite, practic toţi atomii donori furnizează câte un electron liber, electronii devenind astfel purtători majoritari. FÎn cazul semiconductorului dopat cu impurităţi trivalente, acestea introduc în banda interzisă un nivel acceptor, foarte aproape de banda de valenţă, ca în fig. 2.7. Ca urmare, la temperatura ambiantă, practic toţi atomii acceptori captează câte un electron, care a primit o energie ΔWa << ΔWd, formându-se un număr de goluri egal cu numărul de atomi acceptori. Deci, golurile devin în acest caz purtători majoritari, iar electronii devin purtători minoritari.

W

ΔWa

Banda de valenţă

Banda de conducţie

Nivel acceptor

Fig. 2.7 Structura benzilor energetice la un

W

ΔWd

Banda de valenţă

Banda de conducţie

Nivel donor

ig. 2.6 Structura benzilor energetice la un semiconductor extrinsec cu impurităţi donoare

Materialele semiconductoare se caracterizeaza prin conductibilitati

electrice cuprinse între l imitele: [S/m] la temperatura mediului ambiant.Materialele semiconductoare elementare sunt: carbon, sil iciu, germaniu, staniu, bor, fosfor, arsen, stibiu, sulf, seleniu, telur si iod, iar cele compuse sunt de ordinul sutelor, cele mai frecvent util izate fi ind: galiu-arsen, solide de indiu - arsen. Din punct de vedere al legaturilor interatomice (vezi anexa 3.3), semiconductorii se pot clasifica în:-           semiconductori cu legatura covalenta, directionala, realizata prin

asocierea a doi electroni cu spini antiparaleli proveniti de la 2 atomi învecinati, cum sunt: Si, Ge, Sn, S, Se si Te;

-           semiconductori cu legatura hibrida, cum sunt: solutii le solide ale indiului cu arsen si GaAs. Cu cât gradul de ionicitate - subunitar -

este mai ridicat, cu atât legatura are un caracter ionic mai pronuntata, iar materialul are o comportare dielectrica, mai pronuntata.