Semiconductori și aplicații

Studiul proprietăților semiconductorilor și al componentelor electronice de bază.

Conductori, izolatori și semiconductori intrinseci

Materialele se împart după ușurința cu care lasă sarcinile electrice să circule prin ele. Criteriul modern este banda interzisă — intervalul de energie pe care un electron trebuie să îl sară pentru a trece din banda de valență (unde participă la legături) în banda de conducție (unde devine liber să se deplaseze).

• Conductorii (metalele) nu au bandă interzisă: electronii sunt liberi deja la temperatura camerei, iar concentrația lor este uriașă.
• Izolatorii au bandă interzisă mare (peste circa 3 eV): practic niciun electron nu o poate trece în condiții obișnuite.
• Semiconductorii au bandă interzisă mică — aproximativ 1,1 eV pentru siliciu și 0,7 eV pentru germaniu. La temperaturi joase se comportă ca izolatori, dar suficientă energie termică sau luminoasă eliberează electroni și materialul începe să conducă.

Un semiconductor intrinsec este siliciul (sau germaniul) pur, fără impurități. Fiecare atom de siliciu, având 4 electroni de valență, formează patru legături covalente cu vecinii, iar la 0 K rețeaua este perfectă și materialul nu conduce.

Când un electron rupe o legătură prin agitație termică, se întâmplă două lucruri simultan, nu unul: apare un electron liber în banda de conducție și, în locul lăsat gol, un gol (hol) — o legătură incompletă care se comportă ca o sarcină pozitivă mobilă. Golul se deplasează pentru că un electron dintr-o legătură vecină îl poate ocupa, mutând golul mai departe.

În semiconductorul intrinsec, numărul de electroni este egal cu numărul de goluri (n = p), pentru că apar numai în perechi. Conducția are astfel două componente, spre deosebire de metale, unde conduc doar electronii.

De aici rezultă comportarea cu temperatura, care este inversă față de metale și constituie deosebirea cea mai testată. La metale, încălzirea intensifică vibrațiile rețelei, care împiedică deplasarea electronilor, deci rezistivitatea crește. La semiconductori, încălzirea rupe tot mai multe legături și creează tot mai mulți purtători, deci rezistivitatea scade puternic. Pe acest efect se bazează termistorul, folosit ca senzor de temperatură.

Semiconductori extrinseci: tip n și tip p

Conductivitatea semiconductorului pur este prea mică și prea dependentă de temperatură pentru aplicații. Soluția este doparea: introducerea controlată a unor impurități, în proporții minuscule (un atom străin la milioane de atomi de siliciu). Materialul rezultat se numește semiconductor extrinsec.

Semiconductorul de tip n - Se dopează siliciul (grupa a IV-a, 4 electroni de valență) cu un element din grupa a V-a: fosfor, arsen, stibiu. - Atomul de impuritate folosește 4 electroni pentru legături și îi rămâne unul în plus, foarte slab legat, care devine electron liber chiar la temperatura camerei. - Impuritățile se numesc donoare, iar purtătorii majoritari sunt electronii (sarcini negative); golurile sunt minoritare.

Semiconductorul de tip p - Se dopează cu un element din grupa a III-a: bor, aluminiu, indiu. - Atomul de impuritate are doar 3 electroni de valență, deci una dintre legături rămâne incompletă — apare un gol. - Impuritățile se numesc acceptoare, iar purtătorii majoritari sunt golurile (sarcini pozitive); electronii sunt minoritari.

Un punct pe care se pierd des puncte: deși vorbim despre purtători pozitivi și negativi, ambele tipuri de material sunt neutre din punct de vedere electric. Un cristal de tip n nu este încărcat negativ; el conține și nucleele pozitive ale atomilor donori, care compensează exact sarcina electronilor liberi. Denumirile n și p se referă la semnul purtătorilor majoritari, nu la o sarcină netă a materialului.

A doua confuzie tipică vine din denumire: în tipul p golurile sunt majoritare, dar asta nu înseamnă că lipsesc electronii — există și ei, doar că în număr mult mai mic.

Avantajele dopării sunt decisive: conductivitatea crește cu mai multe ordine de mărime, poate fi reglată precis prin doza de impurități și devine mult mai puțin sensibilă la variațiile de temperatură. Pe această posibilitate de control se sprijină toată electronica modernă.

Joncțiunea p-n și dioda semiconductoare

Punând în contact intim, în același cristal, o regiune de tip p și una de tip n, se obține o joncțiune p-n — componenta elementară a electronicii.

La formarea contactului, electronii majoritari din zona n difuzează spre zona p, iar golurile din p spre n, iar perechile se recombină. În jurul suprafeței de contact rămâne o zonă lipsită de purtători liberi, numită regiune de sărăcire (strat de baraj), în care ionii ficși necompensați creează un câmp electric intern și o barieră de potențial. Bariera se opune difuziei ulterioare, iar procesul se oprește într-un echilibru.

Comportarea joncțiunii depinde radical de modul de conectare la sursă:

Polarizare directă — borna plus a sursei la zona p, minus la zona n. - Câmpul exterior se opune câmpului intern, bariera scade, regiunea de sărăcire se îngustează. - Peste o tensiune de deschidere (aproximativ 0,6-0,7 V pentru siliciu, circa 0,3 V pentru germaniu), curentul crește foarte rapid. - Joncțiunea conduce.

Polarizare inversă — plus la zona n, minus la zona p. - Câmpul exterior se adaugă celui intern, bariera crește, regiunea de sărăcire se lărgește. - Trece doar un curent invers minuscul, datorat purtătorilor minoritari. - Joncțiunea nu conduce practic deloc.

Această asimetrie se numește conducție unilaterală și este proprietatea fundamentală a diodei semiconductoare. Electrodul legat la zona p se numește anod, cel legat la zona n catod; în simbolul diodei, vârful triunghiului arată sensul în care curentul poate trece.

Caracteristica curent-tensiune a diodei este puternic neliniară: la polarizare directă, curentul rămâne aproape nul până la tensiunea de deschidere, apoi crește exponențial; la polarizare inversă, curentul este foarte mic și aproape constant, până la o tensiune de străpungere, dincolo de care dioda obișnuită se distruge. Consecință importantă: legea lui Ohm nu se aplică diodei — raportul U/I nu este constant, deci dioda nu are o rezistență unică.

Dioda Zener este proiectată special să funcționeze stabil în zona de străpungere și se folosește ca stabilizator de tensiune.

Tranzistorul, redresarea și aplicațiile

Tranzistorul bipolar este format din trei regiuni semiconductoare alăturate, deci din două joncțiuni p-n, în structură npn sau pnp. Cele trei regiuni au roluri diferite și denumiri fixe:

• emitorul (E) — puternic dopat, furnizează purtătorii;
• baza (B) — foarte subțire și slab dopată, controlează fluxul;
• colectorul (C) — colectează purtătorii care au traversat baza.

În funcționare normală, joncțiunea emitor-bază este polarizată direct, iar joncțiunea bază-colector invers. Majoritatea purtătorilor injectați de emitor traversează baza subțire fără să se recombine și ajung în colector, iar doar o mică parte iese prin bază.

Relația dintre curenți este I_E = I_B + I_C, iar factorul de amplificare în curent este β = I_C/I_B, cu valori tipice între 50 și câteva sute. Ideea de funcționare: un curent mic de bază controlează un curent mare de colector. De aici cele două utilizări majore ale tranzistorului — amplificator (semnal mic la intrare, semnal mare la ieșire) și comutator electronic (deschis sau închis, fără piese mobile), rolul care stă la baza tuturor circuitelor digitale.

De subliniat că tranzistorul nu creează energie: energia semnalului amplificat provine din sursa de alimentare, tranzistorul doar o comandă.

Redresarea este transformarea curentului alternativ în curent continuu, folosind conducția unilaterală a diodelor.

• Redresarea monoalternanță folosește o singură diodă: trece doar semialternanțele pozitive, iar cele negative sunt blocate. Rezultatul este pulsatoriu, cu pauze mari, deci de calitate slabă.
• Redresarea bialternanță folosește patru diode montate în punte (punte Graetz): ambele semialternanțe sunt folosite, iar cea negativă este întoarsă. Frecvența pulsațiilor se dublează, iar tensiunea obținută este mult mai netedă.

După redresare se adaugă un filtru cu condensator, care încarcă și descarcă lin, netezind pulsațiile — așa se obține tensiunea continuă din orice încărcător de telefon.

Alte aplicații ale semiconductorilor: LED-ul, care emite lumină la recombinarea electronilor cu golurile în joncțiune; fotodioda și celula fotovoltaică, care transformă lumina în curent; termistorul, senzor de temperatură; și circuitele integrate, în care miliarde de tranzistoare sunt realizate pe un singur cip de siliciu.

Test — 6 întrebări ca la examen