|
|
|
Rezistivitatea semiconductoarelor poate fi modelata in limite largi si precis controlata cu impuritati. Conductia electrica intr-un solid inseamna miscarea dirijata a purtatorilor de sarcina de la o zona la alta a materialului, sub actiunea unui stimul exterior (camp electric, cresterea temperaturii). Acest fenomen este conditionat de existenta cel putin a unei benzi incomplet ocupate cu electroni. In caz contrar conductia este imposibila. La T = 0K nu exista conductie.
Miscarea electronilor intr-un cristal este descrisa de legile mecanicii cuantice. Dar pentru a analiza fenomenele de conductie e preferabila utilizarea legilor mecanicii Newtoniene, de aceea se definesc 2 tipuri de particule mobile cu sarcina electrica. Transportul curentului in semiconductor este asigurat de 2 tipuri de purtatori: electroni si goluri.
a) Electronul de conductie (e-) folosit in modelare are aceeasi sarcina ca si electronul obisnuit ( ), dar o masa efectiva diferita de masa electronului aflat in stare de repaus .
Specific cristalelor semiconductoare este faptul ca la conductie participa nu numai electronii liberi (de conductie), ci si electronii de valenta care sunt legati de atomii din retea. Datorita distantei foarte mici dintre atomii unei retele cristaline, fiecare electron de valenta al unui atom formeaza o pereche cu un electron de valenta din atomul vecin stabilind o legatura covalenta.
Formarea electronilor de conductie si a golurilor
In momentul in care electronul de valenta primeste o energie cel putin egala cu energia de activare (Eg), legatura covalenta se va rupe si el va deveni electron de conductie. Astfel in urma lui va lasa o legatura covalenta nesatisfacuta, care este modelata cu ajutorul unei particule numita gol.
b) Golurile sunt niste particule fictive cu sarcina pozitiva ( ) si masa efectiva ( ), care se deplaseaza prin cristal si contribuie ca si electronii liberi la conductia electrica.
Sub actiunea unui camp electric exterior, golurile formate in urma ruperii legaturii covalente, pot fi ocupate de electronii de valenta ai atomilor vecini care la randul lor vor lasa in urma alt gol. Prin urmare are loc o deplasare a electronilor legati (de valenta) intr-un sens si a golului in sens contrar.
Cel mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor III-a si a V-a. Dintre acestea, semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri ale elementelor grupelor IIa si VIa (Zinc si Seleniu - ZnSe) cat si din amestecuri de trei sau patru elemente.
Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice. Rezistivitatea electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi (10-2 - 108 cm). Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrica este data de electronii proprii, numita si conductibilitate intrinseca, iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinseca. Conductibilitatea intrinseca poate fi explicata pe scurt astfel. La temperatura de 0K, electronii sunt asezati in legaturile covalente formate intre atomii semiconductorului intrinsec.
Odata cu cresterea temperaturii unii electroni se rup din legaturi fiind liberi sa circule in tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un gol. Imediat el se ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o pozitie. Daca aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi se vor misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent pozitiv de acelasi sens cu campul.
Cel mai interesant fenomen il reprezinta modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel, daca din 105 atomi de Siliciu unul este inlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori!!! Impurificare reprezinta o problema specifica si fundamentala a fizicii si tehnologiei semiconductorilor.
Daca impurificam Germaniul (grupa IVa, patru electroni de valenta) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de valenta) vom obtine un amestec cu un electron de valenta liber. Aceasta impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul sau de energie este mai aproape de zona de conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din grupa a 3-a (trei electroni de valenta), acesta se va integra in reteaua cristalina cu doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil de a captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p - n sunt ansambluri formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de separare, interfata, are marimi de ordinul 10-4 cm. La suprafata semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafata semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinta de compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celalalt.
