Dispozitive electronice semiconductoare

Dispozitive electronice semiconductoare

Sunt dispozitive care realizeaza anumite dependente functionale intre marimile electrice, - curenti si tensiuni, prin mecanismul conductiei electrice in medii semiconductoare, adecvat dopate cu impuritati

Fizica atomului, notiuni fundamentale

Atomul este format din:

nucleu ( neutroni si protoni);

electroni, fiecaruia corespunzandu 717e42h -i un anumit nivel de energie.

In afara nivelelor complet ocupate de electroni mai exista, pentru fiecare atom si nivele de energie mai mare ( straturile cele mai departate de nucleu).

In cadrul legaturilor interatomice intervin numai electronii de pe straturile periferice ( electronii de valenta) Exista insa si nivele care pentru atomul neexcitat raman libere.

Intr-un cristal cu atomi identici, exista nivele de energie foarte apropiate corespunzatoare cate unui electron al fiecarui atom. Apar astfel niste zone de energie foarte apropiate numite benzi.

Similar situatiei de la atomul izolat, ultima banda de nivele de energie ocupata se numeste banda de valenta, iar cea de nivele de energie libera, banda de conductie

Intre banda de valenta si cea de conductie ramane o bande energetica ce nu poate fi ocupata de electronii cristalului respectiv, banda interzisa

Din punct de vedere al proprietarilor de conductie corpurile se clasifica in dielectrici, conductori si izolanti.

Dielectricii au banda interzisa foarte mare ( 10 eV). Toti electronii din banda de valenta sunt fixati in legaturi interatomici si nu exista electroni liberi.

Conductori: banda de valenta si cea de conductie sunt fie apropiate fie intrepatrunse. Electronii se pot desprinde usor din legaturile interatomice trecand pe nivele de energie libere

Semiconductori puri ( germaniu, siliciu). La semiconductori banda interzisa este ingusta ( 2 eV) . Legaturile interatomice se pot desface cu aport redus de energie. Nivelul ramas liber in banda de valenta de catre un astfel de electron se comporta ca o sarcina pozitiva "gol".

Dupa cum electronii pot trece pe nivele libere superioare, cand acumuleaza energie, golurile pot trece pe nivele inferioare din banda de valenta, participand la procesul de conductie. Odata generata o pereche electron-gol, nu mai exista nici o legatura intre cele doua elemente. Atunci cand un semiconductor este plasat intr-un camp electric exterior, miscarea dezordonata a electronilor din banda de conductie si a golurilor din banda de valenta, capata o componenta ordonata. Apar:

- curentul de electroni liberi

- curentul de goluri ( a purtatorilor de sarcina pozitiva care se deplaseaza in sens contrar golurilor)

Semiconductori impuri. Exista doua tipuri de semiconductori impuri:

a) extrinseci ( cu impuritati donoare) de tip "n" ( dopati cu fosfor, arsen, stibiu

b) extrinseci ( cu impuritati acceptoare) de tip "p" ( dopati cu galiu, indiu, bor

a)      Semiconductori de tip "n" Patru din electronii atomilor pentavalenti de dopaj se fixeaza in retea. Al 5-lea, - electron liber circula in banda de conductie fara sa mai genereze si un "gol". Atomii donori se transforma in ioni pozitivi imobili. Conductia este asigurata de electronii majoritari.

b)      La semiconductorii de tip "p" se introduc in reteaua cristalina elemente de dopaj 3-valente. Apar astfel ioni negativi si un "gol" liber (neinsotit de electron).in banda de valenta. Fiecare din atomii acceptori, de dopaj se transforma intr-un ion negativ imobil, creand un gol in banda de valenta. Conductia este asigurata de golurile majoritare.

c)      Daca semiconductorul ne este omogen, intr-o anumita zona, prin incalzire sau iluminare concentratia de purtatori liberi este mai mare decat in alta; va apare fenomenul de difuziune datorat curentului de difuziune ce va cauta sa uniformizeze cele doua concentratii

Jonctiunea p-n este un semiconductor eterogen constituit din doua regiuni cu conductibilitate de tip opus ( p si n ), care formeaza o singura retea cristalina

Fig.1. Jonctiunea p-n

Sarcinile reprezentate cu triunghi albastru in partea stanga respectiv cu romb rosu in dreapta reprezinta ionii imobili ( donori, n, respectiv acceptori, p).

Presupunem:

concentratia donorilor egala cu cea a acceptorilor;

absenta unei tensiuni intre jonctiuni.

Constatari:

Golurile din regiunea p tind sa difuzeze spre regiunea n si invers.

De o parte si de alta a jonctiunii apare o zona cu putini purtatori mobili, ionii nu mai sunt neutralizati; apare o regiune cu sarcina spatiala ( in partea centrala).

Cele doua sarcini spatiale egale si de semn contrar creeaza un camp electric imprimat, E_i de la n la p. Apare astfel o bariera de potential care ingreuneaza difuzia purtatorilor majoritari prin jonctiune. In consecinta curentul prin jonctiune se anuleaza.

Fig.2 Sarcina spatiala in zona jonctiunii p-n

Fig.3.1 Bariera de potential

Fig.4.1 Jonctiune p-n polarizata direct (a)

a) Daca jonctiunii p-n i se aplica o tensiune exterioara, in sensul curentului anodic, i_A :
- daca jonctiunea p-n este polarizata direct ( regiunea p polarizata pozitiv fata de jonctiunea n), campul exterior E este opus celui imprimat, E_i , un numar de purtatori vor trece prin jonctiune, neutralizeaza sarcina spatiala, bariera de potential coboara la valoarea U₀ -U_A. (U_A = E);

- daca bariera se reduce, purtatorii majoritari care o vor putea depasi creste, in consecinta creste curentul prin jonctiune. (i_A>0).

Fig.4.2 Jonctiune p-n cu tensiune exterioara polarizata direct (a)

b) In cazul in care jonctiunea este polarizata invers (sursa exterioara E are sens opus), campul exterior E este de acelasi sens cu cel imprimat, E_i. Bariera de potential creste la valoarea U₀ +U_A. Numarul purtatorilor majoritari care o pot strabate scade, in schimb vor trece purtatori minoritari. Apare un curent rezidual. Daca tensiunea inversa creste mult, curentul invers (rezidual) creste si duce la strapungerea jonctiunii. Tensiunea la care se produce acest fenomen se numeste tensiune de strapungere, U_S.