Download pdf - Introducere În Circuite Electrice Si Electronice

8/11/2019 Introducere n Circuite Electrice Si Electronice

1/134

Tony R. Kuphaldt

Introducere n circuite electrice i

electronice

Electronic analogic
http://www.circuiteelectrice.ro/


2/134

Prefa

Cartea de fareprezintvarianta romneasca volumului de Electronicanalogic, al treilea din seria

lucrrilor Lessons in Electric Circuits scrise de Tony R. Kuphaldt sub licena DESIGN SCIENCE

LICENSE.

Prezenta versiune se distribuie gratuitprin 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 fan orice

scop dorii respectnd condiiile impuse de licena DSL, n principal, menionarea sursei originale.

Atenie, pe tot parcusul crii se va folosi notaia realde deplasare a electronilor prin circuit, i anume,

dinspre borna negativ(-) spre borna pozitiv(+) !
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Devel/dsl.htmlhttp://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Devel/dsl.htmlhttp://www.circuiteelectrice.ro/http://www.circuiteelectrice.ro/http://www.circuiteelectrice.ro/mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]://www.circuiteelectrice.ro/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.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/


3/134

i

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

1.CIRCUITE ELECTRICE ICIRCUITE 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 .................................................................................................................. 71

06.CONEXIUNEA EMITOR COMUN ................................................................................................................................................... 7507.CONEXIUNEA COLECTOR COMUN ................................................................................................................................................ 8308.CONEXIUNEA BAZ COMUN ..................................................................................................................................................... 8809.AMPLIFICATOARE CLASA A,B,AB,CI 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 PRINDIVIZOR DE TENSIUNE ............................................................................................................................ 11906.AMPLIFICATORUL TENSIUNE-CURENT ......................................................................................................................................... 12107.CIRCUITE SUMATOARE IDE MEDIERE ........................................................................................................................................ 12308.REALIZAREA UNUI AMPLIFICATOR DIFERENIAL ............................................................................................................................ 12409.AMPLIFICATORUL DE INSTRUMENTAIE ...................................................................................................................................... 12510.CIRCUITE DE DERIVARE I INTEGRARE ......................................................................................................................................... 12711.REACIA POZITIV ................................................................................................................................................................. 129


4/134

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 odeplasare uniform de electroni. Circuitele electronice adaug o nou dimensiune circuitelor electrice, prin faptul cdeplasarea electronilor este controlat, ntr-o oarecare msur, de un semnal electric adiional, fie sub formde curent, fie sub form de tensiune.

Controlul curentului nu este neaprat specific electronicii. ntreruptoarele i poteniometrele controleaz i eledeplasarea electronilor. Prin urmare, diferena dintre electric i electronic este dat de modul n care acest controleste exercitat n circuit, i nu neaprat de existena sau absena acestuia. ntreruptoarele i poteniometrelecontroleaz 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, sauprin aplicarea unei tensiuni statice. Cu alte cuvinte,ntr-un circuit electronic, curentul controleaz curentul

Efectul Edison

.

Din punct de vedere istoric, precursorulelectronicii moderne a fost inventat deThomas Edison n 1880, pe cnd acestalucra la dezvoltarea becului cuincandescen. Edison a descoperit c existun curent electric ntre filamentul beculuii o plac metalic instalat n interiorulnveliului vidat

Dioda i trioda cu vid

(figura alturat (b)).Astzi, acest comportament este cunoscutsub 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 demai sus (b)) se poate realiza doar ntr-o singur direcie, de la filament la plac, dar nu i invers. Aceast invenieeste cunoscut sub numele de dioda cu vid, folosit pentru transformarea (redresarea) curentului alternativ n


5/134

2

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

Tranzistorul

Tehnologia electronici a cunoscut o revoluie n anul 1948, odat cu invenia tranzistorului. Acest componentelectronic 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) pecale electric. Pentru ca un circuit s poarte numele de circuit electronic, acesta trebuie s conin cel puin unastfel de element activ.

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

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

Elemente pasive

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

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

, sunt denumite elementede circuit pasive. Rezistorii, condensatoarele, bobinele, transformatoarele i chiar i diodele, toate sunt considerateelemente de circuit pasive.


6/134

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 deamplificare

Definiia amplificrii

amplificator

Practic, elementele active sunt folosite pentru proprietatea lor de amplificare. Indiferent dac dispozitivul n cauzeste 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 controlulcurentului de ctre curent, ci, face posibil controlul unui curent mare de ctre un curent mic.

Datorit acestei diferene dintre putereacontrolat i puterea de control, elementele active de circuit pot fi folositepentru comanda unei cantiti mari de putere (putere controlat) de ctre o cantitate mic de putere (puterede 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 electricei electronice, au o eficien maxim de 100%.n cele mai fericite cazuri, puterea de intrareeste egal cu puterea de ieire.

.Dac aceast lege este adevrat, atunci construirea unui dispozitiv care s ia o cantitate mic de energie i s otransforme 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 limitsuperioar, deoarece o parte din energia deintrare se pierde sub form de cldur

radiat n spaiul din jur, iar aceast energie

pierdut nu se regsete n valoarea energieide ieire.

3. Amplificatorul


7/134

4

Au existat numeroase ncercri, fr succesns, de a proiecta i construiputere 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-arputea alimenta singur, ntr-o bucl circular,i ar putea genera putere gratuit. Aceastmain este cunoscut sub numele deperpetuum mobile.

Dei au existat multe ncercri n acestdomeniu, 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 intraresunt transformate (cu ajutorul unei surse externe de putere) n semnale de ieire de o putere mult maimare

Principiul de funcionare al amplificatoarelor

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

Pentru c elementele active de circuit pot

controla cantiti mari de putere electriccu ajutorul unei cantiti mici de putereelectric,acestea pot fi utilizate n circuitepentru duplicarea formei semnalului deintrare cu ajutorul unei surse externe deputere electric. Rezultatul este undispozitiv ce pare a transforma pe calemagic un semnal electric de putere micntr-un semnal identic, dar de o

putere/amplitudine mai mare. Legea conservrii energiei nu este violat, deoarece puterea adiional esteintrodus 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 pentrutransformarea puterii de curent continuu dintr-o surs extern n aceeai form de und precum a semnalului deintrare, forma semnalului produs la ieire fiind n acest caz identic cu cea de la intrare, dar de o amplitudine multmai mare. Tranzistorul, sau alte dispozitive active coninute ntr-un amplificator, formeaz pur i simplu o copieaformei de und a semnalului de intrare cu ajutorul sursei externe de curent continuu brute.

Perpetuum mobile


8/134

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 subform de cldur.

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

Definiie

factor deamplificare

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

Exemplu

, raport ce poart numele de factor de amplificare, sauamplificare. 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 ieireavem o tensiune alternativ efectivde 30 V, spunem c factorul de amplificare n tensiuneal amplificatoruluieste de 15, adic 30 mprit la 2.

Prin aceeai metod, dac tim factorul de amplificare i amplitudinea semnalului de intrare, putem calculaamplitudinea 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 menionatun 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 * 28mA:


9/134

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 aface 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 produsulamplificrilor individuale

n figura alturat, un semnal de 1 V este aplicat intrrii unui amplificator cu factorul de amplificare 3. Ieireaacestuia, de 3 V, este introdus la intrarea unui amplificator cu factorul de amplificare 5, semnalul de la ieire fiind15 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 deintrare, 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 pentrureprezentarea amplificrilor. Unitatea poart numele inventatorului scoian, Alexander Graham Bell, a crui muncfundamental a dus la dezvoltarea sistemelor telefonice. Sub forma sa original, bel-ul reprezenta cantitatea desemnal pierdut datorit rezistenei pe o anumit lungime de conductor electric. Acum, acesta este definit calogaritm din baza zece a raportului dintre semnalul de ieire i cel de intrare:


10/134

7

Deoarece bel-ul este o unitate logaritmic, acesta este ne-liniar. S considerm urmtorul tabel, ca i o comparaientre 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, expresiadB este att de rspndit nct majoritatea nu realizeaz c aceasta este o combinaie dintre deci i bel,sauc mcar exist o unitate de msur numit bel. Urmtorul tabel este asemntor celui precedent, dar de dataaceasta valorile sunt exprimate n dB:

Comparaie


11/134

8

02 - Fizica dispozitivelor semiconductoare

01. Fizica cuantic

Electronii exist n atomi sub form de nori ai probabilitilor distribuite, i nu sub forma unor corpuridiscrete 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: numrulcuantic 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 isimplu spin. Aceste stri sunt cuantificate, adic electronul nu poate exista ntre aceste stri ce suntdefinite 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 energiaelectronului. Aceste numere sunt numere ntregi pozitiveNumrul cuantic orbital

(l) descrie forma norului electronic dintr-un anumit strat i este cunoscut adeseasub numele de substrat. Numrulsubstraturilor (formelor norilor electronici) din oricare strat este egal cunumrul 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 m l

descrie orientarea substratului (forma norului electronic). Numrulorientrilor substraturilor este de 2l + 1 (l - numrul cuantic orbital). Fiecare orientare unic poart numelede orbital. Aceste numere sunt ntregi, cu valori ntre -l i lNumrul cuantic de spinms

descrie o alt proprietate a electronului, iar valoarea acestuia poate s fie+1/2 sau -1/2Principiul 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 exempluNotaia spectroscopic

Comportamentul chimic al unui atom este complet determinat de electronii din straturile neocupatecomplet. Straturile inferioare ocupate complet nu au aproape niciun efect asupra formrii legturilorchimice 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), iarun 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 aufcut posibil miniaturizarea aparatelor electronice, incluznd calculatoarele personale, dezvoltarea echipamentelormedicale 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 aceastnou nelegere a lumii, dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare nu ar fi fost posibil. Fizica cuantic este nsun domeniu al tiinei extrem de complicat, iar acest capitol reprezint doar o mic introducere. Fr o nelegere de


12/134

9

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

Modelul clasic al atomului (Rutherford)

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

Acesta este cunoscut sub numele de modelul luiRutherford. Centrul atomului este format dinparticule de materie minuscule denumite protoni ineutroni; electronii orbiteaz n jurul nucleuluiprecum planatele n jurul Soarelui. Nucleul prezint

o sarcin electric pozitiv datorit prezeneiprotonilor, neutronii neavnd sarcin electric, iarelectronii ce orbiteaz n jurul nucleului poart osarcin negativ, ntreg ansamblul fiind astfelechilibrat 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 suntstabile datorit micrii electronilor. Acest modelextrem de popular al atomului a fost prezentat pentru prima dat de Ernest Rutherford, ce a determinat pe caleexperimental, n jurul anului 1911, c sarcinile pozitive ale atomului sunt concentrate ntr-un nucleu dens i dedimensiuni 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 cuparticule Alfa, ncrcate pozitiv. Rezultatele au fost neateptate. O micparte din particule au fost deviate la unghiuri foarte mari. Cteva dintreparticulele Alfa au fost deviate napoi, la aproape 180o, dar majoritateaparticulelor au trecut pur i simplu prin folia de aur nedeviate, indicndfaptul c cea mai mare parte a foliei era compus din aer. Faptul c o micparte a particulelor Alfa au fost deviate la unghiuri foarte mari nu se putea

explica dect prin prezen unui nucleu minuscul, ncrcat cu sarcinpozitiv.

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


13/134

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: dece 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 peorbite 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 detrecut 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 liniedreapt, 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 sarcinileelectrice accelerate emit radiaie electromagnetic se tie nc de pe vremea lui Rutherford, iar acest lucru se poatedovedi pe cale experimental. Din moment ce micarea orbital este o form de acceleraie (corpul ce orbiteaz estentr-o acceleraie constant fa de micarea normal, liniar), electronii aflai n stare de orbitare ar trebui sarunce radiaie precum o roat aflat n noroi. Dac electronii ar pierde energie n acest mod, acetia s-ar apropiadin ce n ce mai mult de nucleu, rezultatul fiind o coliziune cu nucleul pozitiv. Totui, acest lucru nu se ntmpl ngeneral 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 atomposed doar anumite frecvene specifice. Atomii excitai de influene externe, precum lumina, absorb aceastenergie i emit unde electromagnetice de frecvene specifice. Cnd energia emis de un atom este descompus nfrecvenele sale (culori) cu ajutorul unei prisme, spectrul culorilor este compus din linii distincte, acestea fiindunice elementului respectiv. Acest fenomen este n general folosit pentru identificarea elementelor atomice, i chiari pentru determinarea proporiilor fiecrui element dintr-o compoziie chimic. Conform modelului lui Rutherfordi a legilor fizicii clasice, domeniul frecvenelor acestor atomi excitai ar trebui s fie practic nelimitat. Cu altecuvinte, 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 nlaboratorul acestuia n 1912. ncercnd s armonizeze i descoperirile celorlali fizicieni, precum Max Plank iAlbert Einstein, Bohr a sugerat c fiecare electron posed o anumit energie specific, iar orbitele lor sunt


14/134

11

cuantificate

Dualismul corpuscul-und

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

Cu toate c ncercarea lui Bohr de reconstruire a structurii atomului n termeni ct mai apropiai de rezultateleexperimentale, 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 aleatomului, 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, darmotivul pentru care electronii se comportau astfel nu era nc cunoscut. Rspunsul acestor ntrebri avea s-l dea unalt fizician, Louis de Broglie, cu aproximativ zece ani mai trziu.

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

Principiul incertitudinii al lui Heisenberg

. Bazndu-se pe aceast interpretare, acesta a sugerat c oanaliz a

orbitalilor electronilor din punct de vedere al undelor i nu al particulelor, ar rspunde mai multor ntrebri legatede 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 strilecuantificate 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 multmai 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 laecuaiile difereniale ale lui Schrdinger, este cunoscut sub numele de mecanic cuantic i introduce ocaracteristic aparent ocant a lumii particulelor subatomice, i anume probabilitatea sau incertitudinea. Conformteoriei mecanicii cuantice, poziia exact i momentul exact al particulelor sunt imposibil de determinat nacelai timp

Norii electronici

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

Valoarea minim a incertitudinii poziiei i momentului unei particule, exprimat de Heisenberg i Schrdinger, nuare 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


15/134

12

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

Numerele cuantice

de probabiliti, ca i cum fiecareelectron 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 principiileoriginale ale strilor cuantificate ale electronilor: faptul c electronii exist sub forma orbitelor discrete i binedefinite n jurul nucleului atomului. Aceast din urm explicaie a fost cea care a constituit, pn la urm, punctulde plecare al mecanicii cuantice. Totui, comportamentul cuantic al electronilor nu depinde de o anumit poziiei moment, ci depinde de cu totul alt proprietate, numerele cuantice. Pe scurt, mecanica cuantic nltur noiunileclasice de poziie i moment absolut nlocuindu-lepe 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 patrunumere cuantice

Numrul cuantic principal

, i anume: numr cuantic principal, orbital, magnetic i de spin. Toate aceste numere luatempreun 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 unspaiu din jurul nucleului atomului, format din straturi, ce determin poziiile n care electronii pot exista. Electroniise 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 poateexista 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 nconsiderare un amfiteatru. Fiecare persoan trebuie s aleag un rnd n care s se aeze (nu se poate aeza ntrernduri); la fel, fiecare electron trebuie s aleag un anumit strat n care s se aeze. Ca i n cazulamfiteatrelor, stratul exterior poate susine mai muli electroni dect stratul interior, din apropierea nucleului. Deasemenea, electronii tind s se aeze pe cel mai de jos strat disponibil, la fel cum ntr-un amfiteatru, oameniicaut 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.


16/134

13

Straturile electronice (de laelectron) ale unui atom au fostnotate cu litere nu cu cifre.Primul strat (n=1) se noteazcu litera K, al doilea (n=2) cuL, al treilea (n=3) cu M, al

patrulea (n=4) cu M, al cincilea(n=5) cu O, al aselea (n=6) cuP 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 formaunui nor de electroni cenvelete tridimensionalnucleul atomic. Cel de al doileasubstrat ns, este compus dindoi lobi conectai mpreunntr-un singur punct napropierea centrului atomului.Al treilea substrat este formatdintr-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 suntsimbolizate prin intermediul literei l.

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

Numrul substraturilor dintr-un strat este egal cu numrul cuanticorbital

.


17/134

14

Astfel, primul strat (n=1) are un substrat, numerotat cu 0; al doilea strat (n=2) are dou substraturi, 0 i 1; al treileastrat (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 fiorientai n mai multe direcii. Aceste orientrii diferite poart numele de orbitali. Primul substrat (s; l=0) este osfer fr posibilitatea de existen a unei direcii, prin urmare, n acest caz, avem doar un orbital. Pentru al doileasubstrat (p; l=1) din fiecare strat, lobii acestora pot avea trei direcii diferite.

Simbolul numrului magnetic este m l

Numrul cuantic de spin

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

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 treiorbitali, -1, 0, 1; al treilea substrat (l=2) conine cinci orbitali, numerotai cu -2, -1, 0, 1i 2; etc.

Proprietatea de spin a electronilor a fost descoperit pe cale experimental. O observaie mai atent a liniilorspectrale a reliefat faptul c fiecare linie este de fapt o pereche de linii foarte apropiate una de cealalt, ipoteza fiindc 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 doielectroni, 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 deexcluziune al lui Pauli. Acest principiu spune c,n acelai atom, nu pot exista doi electroni care s ocupe exactaceleai 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 destraturile i substraturile ocupate; aceast convenie port numele de notaia spectroscopic. Sub aceast notaie,


18/134

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, estesuficient un electron pentru ca atomul sating echilibrul electrostatic (sarcinaelectric pozitiv a protonului este nechilibru cu sarcina electric negativ aelectronului). Acest electron ocup stratul celmai 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 ordineanumrului atomic), avem elementul heliu.

Nucleul unui atom de heliu are n compoziiasa doi protoni, iar acest lucru necesitexistena a doi electroni pentru a echilibrasarcina electric total a atomului. Din

moment ce ambii electroni, unul cu spin 1/2,cellalt cu spin -1/2, ncap pe un singurorbital, configuraia atomului de Heliu nunecesit substraturi sau straturi suplimentarepentru 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.


19/134

16

S considerm urmtorul atom, cel de litiu.

Un atom de litiu folosete doar o fraciune dincapacitatea stratului L (n=2), capacitateatotal 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 toatecombinaiile de substraturi, orbitali i spini suntocupate de electroni. Elementul ce corespundeacestei configuraii este Neonul.

Observaii

Adesea, atunci cnd se folosete notaia spectroscopic a unui atom, toate straturile ce sunt ocupate complet suntignorate, 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 2p6n loc de 1s22s22p6. Litiul, avnd stratulK complet ocupat, i doar un singur electron n stratul L, poate fi descris prin notaia 2s1n loc de 1s22s1.

Structura atomului de Litiu


20/134

17

Ignorarea straturilor inferioare, complet ocupate, nu este doar o convenie de scriere, ci ilustreaz foarte bine unprincipiu de baz al chimiei: comportamentul chimic al unui element este determinat n primul rnd destraturile sale neocupate. Att hidrogenul ct i litiul posed un singur electronn straturile superioare (1s1i 2s1

Elemente nobile

),iar acest lucru se traduce printr-un comportament similar al celor dou elemente. Ambele elemente sunt reactive, iau 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 aproapenon-reactive fa de celelalte elemente.Aceste elemente au fost clasificate n trecut ca inerte, crezndu-se c suntcomplet 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 pentrustratul inferior). Atomii pot dona, accepta sau mpri electroni pentru a completa un strat

Atomii formeaz adesea structuri ordonate i rigide denumite Un

cristaleion pozitiv

Unse 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 esteparte 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 deelectroni de valen. Acetielectroni sunt responsabil de proprietile chimice ale elementelor. Acetia sunt electronii ce particip la reaciilechimice 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 stratcomplet, sau pot accepta civa electroni pentru a completa ultimul strat (stratul exterior). Ambele procese duc laformarea 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.


21/134

18

Ioni pozitivi

De exemplu, elementele din grupaI din tabelul periodic, Li, Na, K,Cu, Ag i Au au doar un singurelectron de valen (numrul de

electroni de pe ultimul strat). Toateaceste elemente posed proprietichimice similare. Aceti atomi

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

Ioni negativi

de ctre atomi duce la formarea ionilor pozitivi

Elementele din grupa VIIA, Fl, Cli BR, au toate cte 7 electroni nstratul exterior (stratul de valen).Aceste elemente accept unelectron

Definiia ionului

pentru completareastratului 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 foartebuni izolatori electrici.

De exemplu, un atom de Cl accept un

electron al unui atom de Na devenind ionnegativ Cl-, iar atomul de Na devine ionpozitiv, Na+. Un ion este un atom, moleculsau 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, ceidoi se atrag reciproc.

Elementele din grupa a VIIIA, He, Ne, Ar, Kri Xe au toate cte 8 electroni pe stratul devalen. Acest lucru nseamn c acesteelemente nici nu doneaz dar nici nu acceptelectroni, ne-participnd la reacii chimice cualte elemente. Toate sunt izolatori electrici i

se gsesc sub form de gaz la temperatura camerei.


22/134

19

Elementele din grupa IVA

Structura cristalin

, C, Si i Ge autoate cte 4 electroni n stratul de valen.Aceste elemente formeaz compui cu alteelemente, dar nu formeaz ioni. Acest tip delegtur este cunoscut sub numele de legturcovalent. Se poate observa c atomul din

centru are completat stratul de valen prinpunerea n comun a electronilor atomilor.

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

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

Majoritatea metalelor sunt moi i uor deformabile pe cale industrial. n timpul prelucrrii, microcristalele suntdeformate, 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 nivelmicroscopic. 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 unuielectron 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 ioniinusunt 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 structuricristaline datorit atraciei electrostatice puternice dintre ionii ncrcai cusarcini opuse

Materialele semiconductoare

.

Materialele semiconductoare din grupa IV (C, Si, Ge), formeaz de asemenea cristale. Fiecare atom formeaz olegtur 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.


23/134

20

Pentru ndeprtarea unui electron din banda de valen spre o band neocupat, superioar, denumit bandde conducie, este nevoie de o anumit energie exterioar. Pentru deplasarea electronilor ntre straturi estenevoie 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 necesarpentru 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, acestemateriale sunt bune izolatoare i nu conduc electricitate

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

Nivelele energetice

Fizica cuanticdescrie starea electronilor dintr-un atom cu ajutorul celor patru numere cuantice. Aceste numeredescriu 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 modificastarea n cazul existenei unei energii suficiente i loc pentru deplasarea acestora. Din moment ce nivelul stratuluieste strns legat de cantitatea de energie a unui electron, salturile ntre straturi (i chiar substraturi) necesit untransfer de energie. Pentru ca un electron s se poat deplasa pe strat mai nalt, acesta are nevoie de energieadiional 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 cenecesit nvingereaforei gravitaionale. De asemenea, dac un electron coboar pe un strat inferior, acesta cedeazenergie. 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 pentruformarea substanelor, straturile,substraturile i orbitalii exteriorise combin ntre ei, ducnd lacreterea energiei disponibilepentru electroni. Cnd un numr

foarte mare de atomi sunt foarteaproape unul de cellalt, acestenivele de energie disponibileformeaz o band de electroniaproape continu, band pe care

electroni se pot deplasa cu uurin.

03. Benzi de energie


24/134

Laels

d

Lbtee

lectronii l

imea acestupra lor. nectronii unuiu chiar delo

plasa foarte

azul mate

azul mate

a temperaturnda de valemperaturi ergetic, ia

beri

r benzi i disubstanelesingur atom

c. Astfel, el

uor dacsu

ialelor iz

ialelor se

joase, eneri cea conalte ns, ematerialul s

stana dintreetalice, ben

se pot deplactronii din

t supui unui

latoare

iconduct

ia termicdducie este fo

ergia termie va comport

ele determinile libere sesa la un nivestratul exte

cmp electri

are

isponibilpearte mic, iarc devine sa precum un

21

mobilitateasuprapun cul energeticior sunt cu

c exterior.

ntru mpingmaterialul sficient de

material con

electronilorbenzile ce cai mare necoscui sub

Suprapuneresubstanele,afl n proexist o disvalen (niurmtoareaconducie.sunt legaimobili n cenergii exteformeazm

erea electromiconductoare pentru

uctor.

n cazul aplinin electrositnd foarteumele de el

a benzilor nindiferent deimitate. n

tana considelul energe

band goalPrin urmare, de atomiidrul substanrne considerterialele izol

ns, masemiconenergeticde valenAstfel,necesarelectronilde condmobili, e

nilor de valese comporta fora ele

rii unui ci, ceea ce npuinenerectroni liber

u are loc nnumrul atocazul unor

erabil ntreic cel mai, denumit

electroniilor i nu

elor fr ajbile. Acesteatoare (diele

terialele dinuctorilor au ngustn i cele decantitatea d

pentruor de valenucie, de uste destul de

npeste spprecum un ictronii peste

p electricseamncie externi se pot

n toateilor ce se

substane,banda demare) i

banda de

e valenot devenitorul uneisubstane

trice).

categoriao distantre benzileconducie.e energie

trecerea n bandad devinodest.

iul dintreolator. Ladistana


25/134

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

Scop

Materialele semiconductoare pure sunt izolatori relativ buni, n comparaie cu metalele, dar nu sunt la fel de buneprecum 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 esteanalog unei impuriti sub form de un fir de praf ntr-un sac de zahr. Materialele semiconductoare impure suntconductoare mult mai bune, dar nu la fel de bune precum metalele. De ce se ntmpl acest lucru? Pentru a putearspunde acestei ntrebri, trebuie s ne uitm la structura electronic a acestor materiale.

Structura electronic a semiconductorilor

n figura alturat (a), cei patru electroni din stratulde valen a unui material semiconductor formeazlegturi covalente cu ali patru atomi. Toi electroniiunui atom formeaz legturi covalente. Electronii nu

se pot deplasa liberi n structura cristalului. Prinurmare, semiconductorii puri (intrinseci) suntizolatori 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 (electronliber). Cnd acest electron a fost eliberat cu ajutorul unei energii exterioare, a lsat n urma lui un loc l iber cusarcin pozitiv n structura cristalului, sarcin cunoscut sub numele de gol. Acest gol nu este nici el fix, ci sepoate deplasa liber. Att electronul, ct i golul contribuie la conducia electric a cristalului. Electronul este liberpn n moment n care cade ntr-un gol, proces cunoscut sub numele de recombinare

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


26/134

23

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

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

Impuritatea donoare de tip N

unui materialsemiconductor 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 poaterealiza 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 pentrudiamant, iar fosforul, arsenicul i stibiul sunt folosite ca i dopani pentru siliciu.

Structura cristalin din figuraalturat conine atomi avndcte patru electroni n stratul devalen, formnd cte patrulegturi covalente cu atomiiadiaceni. Aceasta estestructura anticipat amaterialului semiconductor.

Adugarea unui atom de fosfor cu cinci electroni n stratul de valena introduce un electron suplimentar n structuramaterialului, 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 astfelformat va dispune de un electron liber, rmas de la atomul de fosfor, ce nu are o legtur foarte strns cu cristalulla fel cum au ceilali electroni de siliciu, fiind liber s se deplaseze n cristal. Din moment de am dopatsemiconductorul cu un atom de fosfor la fiecare 10 milioane de atomi de siliciu, exist relativ puini electroni libericreai prin dopaj, dac facem o comparaie cu numrul de atomi de siliciu prezeni n structur. Totui, dac facemo comparaie ntre numrul de electroni liberi ai materialului dopat cu materialul pur, numrul de electroni liberieste relativ mare. Aplicarea unui cmp electric extern produce o conducie electric puternic a materialuluisemiconductor 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 debun.

Impuritatea acceptoare de tip P

De asemenea, este posibil introducerea unei puriti cu trei electroni n stratul de valen, adic un electron nminus fa de siliciu. Acest lucru duce la formarea unui gol, un purttor de sarcin pozitiv. Atomul de bor (B), ceare trei electroni pe stratul de valen, ncearc s realizeze patru legturi covalente cu atomii de siliciu, iar peparcursul 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

Doparea materialelor semiconductoare


27/134

24

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

Deplasarea electronilor i a golurilor

(cele dou exprimri sunt echivalente). Din moment ce golurile sunt purttori de sarcinpozitiv, 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 pepost de dopant pentru siliciu i diamant, iar indiul pentru germaniu.

Exist o strns legtur, n analogia mrgelelor dintr-un tub, ntre deplasarea golurilor i deplasareaelectronilor. Mrgelele reprezint electronii dintr-unconductor. Deplasarea electronilor de la stnga ladreapta ntr-un semiconductor de tip N se poate explica

astfel: electronul intr n tub prin partea stng i ieseprin partea dreapt. Deplasarea electronilor de tip Nare loc n banda de conducie. Putem compara aceastdeplasare cu deplasarea golurilor n banda de valen.

Ceea ce trebuie neles este c electronii se deplaseaz n direcia contrar de deplasare a golurilor. Golurile nusunt 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 electronipoart numele de

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

purttori de sarcin majoritari

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


28/134

25

05. Jonciunea P-N

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

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 altorsemiconductoare

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

Formarea jonciunii PN

Dou blocuri distincte de material semiconductor

Dac un bloc de material semiconductor de tip P este adus ncontact cu un bloc de material semiconductor de tip N (figuraalturat), rezultatul este nesatisfctor. Vom aveadou blocuriconductoare aflate n contact unul cu cellalt, dar frproprieti unice. Problema const n existen a dou corpuricristaline distincte i separate. Numrul de electroni esteechilibrat 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 singurcristal semiconductor este confecionat(dopat) cu un material de tip P la un capt, i un material de tipN la cellalt capt, combinaia respectiv prezint uneleproprieti unice. n materialul de tip P, majoritatea purttorilorde sarcin sunt goluri, acetia putndu-se deplasa liberi prinstructura cristalului. n materialul de tip N majoritateapurttorilor de sarcin sunt electroni, i acetia putndu-sedeplasa liberi prin structura cristalului. n jurul jonciunii ns

(intersecia dintre cele dou tipuri de materiale), electroniimaterialului N trec peste jonciune i se combin cu goluriledin materialul P (figura alturat). Regiunea materialului P dinapropierea jonciunii capt o sarcin negativ datorit

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


29/134

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 comportaprecum un material conductor. Formarea jonciunii i a barierei de potenial are loc n timpul procesului defabricaie. 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 nctelectronii s se deplaseze dinspre terminalul negativ nsprematerialul de tip N. Aceti electroni se adun n jurul jonciunii.Terminalul pozitiv nltur electronii din materialulsemiconductor de tip P, ceea ce duce la crearea golurilor ce sendreapt i ele spre jonciune. Dac tensiunea bateriei estesuficient de mare pentru a depi potenialul jonciunii (0,6 Vn cazul siliciului), electronii materialului N i golurile

materialului P se combin i se anihileaz reciproc. Acest lucru duce la crearea unui spaiu liber n structuramaterialului ce poate susine o deplasare i mai mare de purttori de sarcin spre jonciune. Astfel, cureniipurttorilor 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 astfelde 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 jonciunespre terminalii bateriei. Terminalul pozitiv al bateriei atragepurttorii de sarcin majoritari (electronii) ai materialului N, iarterminalu negativ al bateriei atrage purttorii de sarcinmajoritari (golurile) ai materialului P. Acest fapt duce lacreterea grosimii zonei de golire non-conductive. Nu are locnicio recombinare a purttorilor de sarcin, prin urmare, nu areloc 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 odiod

.


30/134

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 cristalsemiconductor. Simbolul schematic al diodei este prezentat n figuraalturat (b), i corespunde semiconductorului dopat de la (a). Diodaeste un dispozitiv unidirecional

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

Polarizarea direct a diodei

Dac dioda este polarizat direct, curentul crete foarte puin pe msurce tensiune crete de la 0 V. n cazul n care materialul semiconductordin care este confecionat dioda este siliciu, curentul ncepe s creascdoar dup ce tensiunea atinge valoarea de 0,6 V. Dac tensiunea cretepeste valoarea de 0,6 V, valoarea curentului crete foarte rapid. Otensiune 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 directa diodei. Sub aceastvaloare, 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 lapolarizarea direct poart numele de curent direct

Polarizarea invers a diodei

, iar acesta poate lua valori cuprinse ntre civa mA, pn lasute 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 maiextreme poate ajunge la un maxim de 1 A (figura de mai sus, stnga). Valoarea acestui curent nu cretesemnificativ odat cu creterea tensiunii de polarizare invers, dect la atingerea punctului de strpungere. Cndpunctul de strpungere este atins, curentul prin diod crete la o valoare att de mare, nct poate duce la distrugereadiodei dac nu exist un rezistor serie pentru limitarea curentului prin diod. De obicei se alege o diod a creitensiune de strpungereeste mai mare dect valoarea tensiunilor aplicate la bornele sale. Diodele din siliciu au deobicei tensiuni de strpungere de la 50, 100, 200, 400, 800 V sau chiar mai mare.


31/134

28

Curentul de dispersie

Am menionat mai sus c exist un curent de dispersie de sub un A, pentru diodele de siliciu, la polarizareainvers. Explicaia const n faptul c energia termic produce cteva perechi de electroni-guri, ce duc la apariiaunui curent de dispersie pn la recombinare. Practic, acest curent previzibil este doar o parte a curentului dedispersie 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 cazulgermaniului, curentul de dispersie este de cteva ori mai mare dect n cazul siliciului.

Dioda cu jonciune

Dei la nceput, cea mai folosit diod a fostdioda cu contact punctiform (figura alturat(a)), majoritatea diodelor folosite astzi suntdiode cu jonciune (figura alturat (b)). Deijonciunea PN din figur este puin maicomplex dect o jonciune normal, aceastaeste tot o jonciune PN. Pornind de la catod,N+indic faptul c aceast regiune este dopatputernic, 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 diodelede putere folosite n redresare.

Diodele de puteri mai mici, chiar i redresoarele de putere de tensiuni mai mici, vor avea pierderi de polarizaredirect 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 dedispersie. Regiunea P+

07. Tranzistorul bipolar cu jonciune (BJT)

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

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

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


32/134

29

Amplificarea n curent a tranzistorului este exprimat prin relaia =I C/ I B

Scurt istoric

, iar valoarea ei este de la 100 la300 pentru tranzistorii mici

Primul tranzistor bipolar a fost inventat la Bell Labs de ctre William Shockley, Walter Brattain, i John Bardeenn 1948 (de fapt, 1947, dar invenia a fost publicat doar n 1948). Pentru aceast descoperire, cei trei au fostrecompensai 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 emitori colectorpentru 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 icolector, 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 lacreterea regiunii de golire. Aceast tensiune poate fi de civa voli pn la zeci de voli pentru majoritateatranzistorilor. n acest caz, nu exist curent n circuitul colectorului, exceptnd curentul de dispersie de o valoareafoarte mic.


33/134

30

Polarizarea jonciunii emitor-baz

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

Dac regiunea bazei ar fi mult mai mare, ca i n cazulpoziionrii spate-n-spate a dou diode, tot curentul ce intr nbaz prin emitor, ar iei prin contactul bazei spre bornapozitiv a bateriei.

, n ncercarea de depire abarierei de potenial de aproximativ 0,6 V. Acest lucru este

similar polarizrii directe a jonciunii diodei. Tensiunea acesteisurse trebuie s depeasc valoarea de 0,6 V pentru camajoritatea purttorilor de sarcin (electroni pentru NPN) streac din emitor spre baz, devenind purttori de sarcinminoritari 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, serecombin cu golurile acesteia (figura alturat). De asemenea,o mic parte a electronilor ce intr n baz pe la emitor trecdirect prin baz spre borna pozitiv a bateriei. Dar majoritateacurentului din emitor trece prin suprafa subire a bazei directn colector. Mai mult, modificarea curentului mic al bazei ducela modificri importante ale curentului din colector. Dactensiunea bazei scade sub aproximativ 0.6 V, curentul emitor-

colector scade la zero.

Explicaie


34/134


35/134

32

Tranzistoarele bipolare pot fi confecionate i sub forma PNP. Diferena dintre PNP i NPN poate fi vzutn figuraalturat.

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 sensuluireal de deplasare al electronilor. Pentru tranzistorii NPN, direcia sgeii este dinspre baz spre emitor, iar n cazultranzistorilor PNP, direcia este dinspre emitor spre baz. Colectorul nu este reprezentat n niciunul dintre cazuri cuajutorul vreunei sgei. Totui, polaritatea jonciunii baz-colector este aceeai cu polaritatea jonciunii baz-emitorn comparaie cu o diod.

Structura

Emitorul tranzistorului bipolarcu jonciune de mai jos esteputernic dopat, dup cumindic i notaia N+

Procentul de dopaj alcolectorului este sczut, dup

cum indic notaia N

. Baza areun nivel de dopaj P normal, daraceasta este mult mai subire nrealitate dect este prezentat naceast figur (a).

-, pentru ca tensiunea de strpungere a jonciunii colector-bazs fie ct mai mare, ceea ce

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

Jonciunea PNP


36/134

33

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

Observaie

, o reprezentare aproximativ aacestuia 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 precumcei de tipul NPN, prin urmare, circuitele integrate folosesctranzistori 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 singurtip 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 nrealizarea acestuia i-au dus n schimb la dezvoltarea tranzistorului bipolar. Teoria tranzistorului cu efect de cmp alui 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 effecttransistor), este un dispozitiv unipolar

, ceea censeamn c existena curentului depinde de un singurtip de purttori de sarcin. Dac dispozitivul sebazeaz pe un material semiconductor de tip N,purttorii de sarcin sunt electronii. Invers, pentru

unul de tip P, purttorii de sarcin sunt golurile.


37/134

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-undispozitiv de tip N, aceast regiune este reprezentat de un material semiconductor dopat de tip N-, cu terminale laambele 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 oregiune 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 ozon de golire non-conductiv la jonciune.

Grosimea zonei de golire poate fi crescut prin aplicarea unei tensiuni moderate de polarizare invers (figura de maisus(b)). Acest lucru duce la creterea rezistenei canalului surs-dren prin ngustarea acestuia. Creterea ncontinuare a tensiunii de polarizare invers duce la creterea zonei de golire, scderea grosimii canalului i creterearezistenei 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 ojonciune, i este polarizat invers pentru funcionarea corect a dispozitivului. Curentul dintre surs i dren poateexista n ambele direcii.

GSva bloca curentul prin canal,rezistena acestuia fiind foarte mare. Tensiunea de blocare, VPeste 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 dintredirecii pentru o tensiune mic a bateriei drenei (0,6 V). Cu alte cuvinte, bateria drenei poate fi nlocuit cu o sursde tensiune sczut n curent alternativ.


38/134

35

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

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, dela 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 cretespre 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 rezistenadatorat polarizrii inverse a porii. n figura de mai sus (b) este prezentat i simbolul schematic al unui tranzistorcu efect de cmp cu canal de tip N. Sgeata porii indic aceeai direcie ca i jonciunea diodei, i corespunderegiunii de tip P. Celelalte dou extremiti (S i D), ce nu conin nicio direcie, corespund materialuluisemiconductor de tip N.

n figura de mai sus este reprezentat i direcia curentului de la terminalul (-) a bateriei spre surs (S), apoi spredren (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 pepoart.

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 circuitcu JFET de tip P faa de cel cu canal de tip N (figura alturat (a)). Sgeata n acest caz este ndreptat dinsprepoart nspre sursa de polarizare invers (figura alturat (b)).


39/134

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 figuriialturate (a), iar circuitele integratecu tranzistoare cu efect de cmp,sunt confecionate conform figuriialturat (b). Poarta este dopatputernic, P+, pentru obinerea uneizone de golire ct mai mari. Sursa idrena acestui dispozitiv de tip Nsunt 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 producereatranzistorilor bipolari n afara unui spaiu perfect curat, nu acelai lucru se poate spune i despre cei cu efect decmp. Tranzistorul cu efect de cmp este mult mai simplu din punct de vedere conceptual dect cel bipolar, dar estefoarte greu de produs.

09. Tranzistorul cu efect de cmp cu poart izolat (MOSFET)

MOSFET-urile sunt dispozitive unipolare, precum FET-urile sau BJT-urile MOSFET-ul este un dispozitiv controlat n tensiune, precum FET-ul. O tensiune de intrare pe poart

controleaz curentul dinspre surs spre dren Poarta MOSFET-ului nu necesit prezena unui curent n timpul funcionrii, ci doar prezena unui curent

iniial pentru ncrcarea condensatorului

Definiie

Tranzistorul cu efect de cmp cu poart izolat (IGFET), cunoscut i sub numele de tranzistor cu efect decmp cumetal oxid (MOSFET), este un dispozitiv derivat al tranzistorului cu efect de cmp (FET). n prezent, majoritateatranzistorilor folosii n circuitele integrate sunt de acest tip, cu toate c tranzistorii bipolari cu jonciune (BJT)discrei sunt mult mai numeroi dect dispozitivele discrete de tip MOSFET. Numrul de tranzistori MOSFETdintr-un circuit integrat poate ajunge la