Conductoare. Izolatoare. Semiconductoare

Conductoare. Izolatoare. Semiconductoare

Din punctul de vedere al proprietatii corpurilor solide de a fi strabatute de curent electric sub actiu­nea unei tensiuni electrice continue aplicate din exterior, acestea se impart in trei mari categorii: conductoare (metalele), semiconductoare si izolatoare.

In unele corpuri solide, atomii se situeaza in varfurile unor corpuri geo­metrice  regulate: cub, tetraedru, prisma, etc. Se spune ca atomii formeaza o retea cristalina.

Deoarece la metale, care sunt corpuri solide cristaline, elec­tronii de valenta ai atomilor sunt foarte slab legati de atomi, legaturile lor de mentinere in cadrul atomilor sunt rupte si ei se deplaseaza liber.

Asadar, in nodurile retelei metalului se gasesc ioni pozitivi, printre care se misca electronii liberi, ce formeaza asa-numitul gaz electronic, denumire care provine din compararea comportarii lor cu cea a moleculelor unui gaz.

Electronii liberi interactioneaza cu ionii atomici pozitivi din nodurile retelei realizand "cimentarea" retelei prin legaturi metalice, caracteristice prin forta de natura electrostatica.

Concentratia electronilor liberi in metale este de ordinul 10²⁸m^-3, concentratie care, practic, nu depinde de temperatura. Rezistenta electrica a metalelor este determinata de frecventa ciocnirilor electronilor liberi cu ionii pozitivi din nodurile retelei, ioni care se gasesc intr-o permanenta vibratia in jurul unei pozitii de echilibru.

Cu cresterea temperaturii amplitudinea vibra­tiilor creste, ceea ce franeaza miscarea de ansamblu a electronilor liberi sub actiunea unui camp electric exterior; rezistenta electrica a metalelor creste cu temperatura.

Daca metalele au o conductivitate foarte mare, s_m I [10⁶, 10⁸] W^-1·m^-1, ea este extrem de mica, pentru izolare s_i I [10^-22, 10^-12] W^-1·m^-1.

Electronii de valenta ai atomilor care formeaza izolatoarele sunt foarte puternic legati de atomii.

Izolatoarele nu conduc curentul electric deoarece in interior al lor, practic, nu exista purtatori de sarcini electrice liberi.

Exemple de izolatoare: materialele plastice, sticla, marmura, ceramica, hartia, cauciucul, etc.

Semiconductoarele sunt materiale care devin conductoare de electricitate cand sunt supuse actiunii luminii sau caldurii, dar care functioneaza ca izolatoare la temperaturi scazute.

Semiconductoarele sunt corpuri solide cu conduc­tivitate s_s I [10^-12, 10⁶] W^-1·m^-1 cuprinsa intre cea a metalelor si cea a izolatorilor si creste puternic cu temperatura.

In categoria semiconductorilor se afla o mare varietate de substante: oxizi, compusi si unele elemente chimice ca germaniul, siliciul, seleniul, etc.

Semiconductoarele cele mai folosite in dispozitivele electronice sunt cristalele elementelor tetravalente Ge si Si si, in mai mica masura, ale unor compusi intermetalici, indeosebi GaAs (arseniura de galiu). La semiconductoare electronii de valenta sunt mai slab legati de atomi decat la  izolatoare.

Legaturile lor pot fi rupte daca li se transmite suficienta energie si astfel devin electroni liberi. Energia minima DE necesara pentru trecerea electronilor din starea de electroni legati de atomi in starea de elec­troni liberi se numeste energie de activare. Energia de activare pentru semiconductoare este cuprinsa in intervalul 0,025 3 eV si este o marime carac­teristica fiecarui semiconductor in parte:

pentru germaniu DE = 0,72eV;

pentru siliciu DE = 1,1eV.

Pentru metale DE=0, iar pentru izolatori DE=3 10eV. Energia de activare la metale fiind nula, la orice temperatura, numarul de purtatori liberi este acelasi; la izolatoare energia de activare fiind foarte mare, prin incalzire, practic nu apar purtatori liberi.

Avand valori mici, energia de activare poate fi transmisa electronilor de valenta din semiconductor din energia de agitatie termica a ionilor retelei cristaline proprii. De aceea, spre deosebire de metale, cu cresterea tempera­turii semiconductorului creste numarul electronilor ce devin liberi.

La siliciul pur, de exemplu, concentratia electronilor liberi intr-un m³ creste de la 10¹⁷ la temperatura camerei, la 10²⁴ la temperatura de 700°C.

Specific semiconductoarelor este faptul ca la conductie participa nu numai electronii liberi (electroni de conductie) ci si electronii de valenta care au ra­mas legati de atomii din retea.

Pentru intelegerea fenomenului conductiei elec­trice la semiconductoare, sa analizam comportarea electronilor dintr-un cristal de siliciu.

Atomul de siliciu are 4 electroni de valenta. In reteaua crista­lului de siliciu fiecare atom este inconjurat echidistant de 4 atomi. Fiecare electron de valenta al unui atom formeaza o pereche cu un electron de valenta din atomul vecin, ei devenind comuni ambilor atomi.

Un asemenea tip de le­gatura intre atomi, prin punerea in comun a electronilor de valenta intre atomi vecini, se numeste legatura covalenta.

Deoarece, la 0 K in semiconductor nu exista electroni liberi, acesta se comporta ca un izolator bun. La tempera­turi mai inalte, datorita caracterului fluctuant al energiei de agitatie termica, o parte din electronii care asigura legaturi covalente pot fi eliberati, primind energie egala cu energia de activare si devin electroni liberi.

Acesti electroni eliberati din atomii neutri lasa in locurile pe care le parasesc "goluri", legaturi nesatisfacute. Deci, la temperaturi diferite de 0K, in semiconductori apar electroni liberi si goluri aflati intr-o miscare dezordonata.

Sub actiunea unui camp electric exterior, electronii unor legaturi covalente ale atomilor vecini pot umple aceste "goluri", lasand alte goluri in legatura covalenta a atomilor de la care au plecat. Dupa aparitia unui "gol", un electron dintr-un atom vecin il umple, lasand in urma lui alt gol.

Prin urmare, are loc o deplasare a electro­nului legat (de valenta) intr-un sens si a golului in sens contrar. Astfel, golu­rile se comporta ca niste particule fictive cu sarcina pozitiva "e⁺" care se deplaseaza prin cristal si contribuie, ca si electronii liberi, la conductia electrica.

De asemenea, miscarea in cristal a electronilor eliberati din legaturile co­valente se poate reprezenta printr-o miscare clasica (supusa legilor mecani­cii newtoniene) sub actiunea fortelor externe (datorate unor campuri elec­trice exterioare) a unei particule fictive numita electron de conductie, avand sarcina "e^-".

Deci, in semiconductoare participa la conductie doua feluri de purtatori de sarcina mobili: electronii (negativi) si golurile (pozitive).

Intr-un semiconductor pur (fara impuritati) la echilibrul termic, purta­torii mobili apar numai datorita generarii termice a perechilor electron-gol, astfel incat vor rezulta tot atatia electroni de conductie cate goluri.

Semicon­ductorul in care concentratia de electroni este egala cu cea de goluri se numes­te semiconductor intrinsec, iar concentratia respectiva concentratie intrin­seca.

Tipul conductiei electrice intr-un semiconductor mai poate fi determinat de prezenta si de natura atomilor stra­ini (numiti impuritati) aflati in reteaua lui cristalina. Procesul de impurifi­care a unui semiconductor se numeste dopare.

Doparea sau impurificarea consta in introducerea controlata de elemente chimice (atomi diferiti) in reteaua cristalina a materialului semiconductor cu scopul de a obtine un surplus de sarcini pozitive rezultand semiconductorul de tip p sau un surplus de sarcini negative rezultand semiconductorul de tip n.

Impuritatile pot fi:

A. Impuritati donoare - donori care dau nivele energetice mai apropiate de banda de conductie [10].

Daca, in cristalul de siliciu care este tetravalent, se inlocuieste un atom de siliciu cu un atom pentavalent de impuritate de exemplu arseniu (As) sau fosforul (P), atunci numai 4 din cei 5 electroni de valenta se leaga covalent cu atomii vecini de siliciu, iar al cincilea se desprinde de atomul de impu­ritate si devine liber (figura 3.3).

Pentru ca el sa devina electron de conductie este suficienta o energie in jur de 0,05eV la Si (0,01 eV la Ge), capa­bila sa-1 desparta de atom.

Ca urmare, acest electron este mult mai slab legat de atomul propriu si chiar la temperaturi foarte scazute (diferite de 0 K) energia termica este suficienta pentru a desprinde electronul neangajat in legatura chimica de atomul de arseniu si practic toti acesti "ai 5-lea" electroni devin electroni de conductie.

Impuritatile pentavalente creeaza deci, in reteaua cristalina a siliciului un singur fel de purtatori mobili de sarcina: electroni. Impuritatile care permit astfel de cedari de electroni liberi se numesc donori, iar semiconductorul cu atomi de impuritate donori se nu­meste semiconductor extrinsec de tip n (negativ).

Fig. 3.3. Legaturile covalente in cristalul de siliciu, in care un atom de siliciu

a fost inlocuit cu un atom de impuritate pentavalent (arseniu)

Deoa­rece conductia in acest caz se face in principal cu electroni, ea se numeste con­ductie de tip n. In semiconductorul de tip n electronii sunt purtatorii majoritari, iar golurile purtatorii minoritari. Con­ductivitatea semiconductorului este cu atat mai mare cu cat concentratia purtatorilor de sarcina liberi este mai mare.

B. Impuritati acceptoare - acceptori care dau nivele energetice mai apropiate de banda de valenta.

Daca, in cristalul de siliciu, se inlocuieste un atom de siliciu cu un atom de impuritate trivalenta, de exemplu bor (B) sau aluminiu (Al), acesti atomii de impuritate vor ocupa in retea locul unor atomi de siliciu, avand insa cate o legatura covalenta nesatisfacuta.

Atomului trivalent de bor - spre exemplu, ii lipseste un electron de legatura    (figura 3.4). Atomul de bor poate accepta cu usurinta un al patrulea electron provenind de la o legatura Si-Si a unui atom vecin, lasand in urma sa un gol. Golul tinde sa se completeze prin atragerea unui electron de valenta de la un alt atom de siliciu vecin. Astfel, in reteaua semiconductorului se formeaza un numar de goluri egal cu numarul atomilor de impuritate.

Fig. 3.4. Formarea golurilor in cristalul de siliciu

extrinsec dotat cu (atomi de) bor

Atomii de impuritate devin ioni negativi (purtatori de sarcina imobili) si poarta denumirea de acceptori. Deoa­rece conductia in acest caz se face in principal cu goluri, ea se numeste con­ductie de tip p. Purtatorii de sarcina mobili majoritari sunt in acest caz golurile, iar purtatorii mobili de sarcina minoritari sunt electronii liberi proveniti din generarea de perechi electron-gol, pe seama fluctuatiei energiei de agitatie termica a retelei.

In cazul impuritatilor donoare, electronii au nivelele energetice mai apropiate de banda de conductie (figura 3.5). Energia de ionizare a nivelelor donoare este in general mica, fiind cuprinsa intre 0,01 eV si 0,2 eV astfel incat electronii pot fi transferati usor de pe un nivel donor in banda de conductie.

Fig. 3.5. Nivele energetice donoare si acceptoare

intr-un semiconductor cu impuritati

In semiconductori cu impuritati donoare conductia va fi determinata in principal de electronii din banda de conductie proveniti de pe nivele energetice donoare.

In cazul impuritatilor acceptoare, electronii au nivelele energetice mai apropiate de banda de valenta (figura 3.5). Aceste nivele pot primi usor electroni din banda de valenta lasand in locul lor goluri libere care pot participa la conductia electrica.

Electronii care au venit pe nivelele acceptoare sunt electroni localizati si nu participa la conductia electrica.

Daca semiconductorul nu contine impuritati, atunci la conductia electrica vor participa numai electroni excitati din banda de valenta in banda de conductie si goluri ramase libere in banda de valenta (figura 3.6). In acest caz avem numai o conductie proprie a semiconductorului, conductie intrinseca.

Fig. 3.6. Procese fizice care au loc intr-un semiconductor

cu conductie intrinseca