Studiul proprietăților semiconductoarelor și al componentelor electronice de bază, cu aplicații practice.
Materialele se împart, după rezistivitate, în conductoare (metalele, ρ foarte mic), izolatoare (ρ uriaș) și semiconductoare, situate între cele două — siliciul și germaniul fiind exemplele tipice.
Un semiconductor intrinsec este unul pur din punct de vedere chimic. Siliciul are patru electroni de valență și formează cu vecinii patru legături covalente, astfel încât la temperaturi joase toți electronii sunt legați, iar cristalul se comportă ca un izolator.
La creșterea temperaturii, agitația termică rupe unele legături. Fiecare ruptură produce două purtători de sarcină:
Golul nu este o particulă reală, ci un mod comod de a descrie mișcarea electronilor legați: când un electron vecin sare și ocupă locul liber, golul pare că se deplasează în sens invers. Într-un semiconductor intrinsec, numărul de electroni este întotdeauna egal cu numărul de goluri, pentru că apar în perechi.
Aici se află deosebirea cea mai importantă de metale, cerută la orice item comparativ: la creșterea temperaturii, rezistivitatea metalelor crește, iar cea a semiconductorilor scade. În metale numărul de purtători este fix, iar încălzirea nu face decât să intensifice ciocnirile; în semiconductori, încălzirea creează purtători noi, iar acest efect domină cu mult. Pe această proprietate se bazează termistorul, folosit ca senzor de temperatură.
Același mecanism explică și fotoconducția: iluminarea eliberează perechi electron-gol, deci scade rezistența — principiul fotorezistorului.
Conducția intrinsecă este prea slabă și prea dependentă de temperatură pentru aplicații practice. Soluția este doparea: introducerea controlată a unor impurități, în proporții de ordinul unui atom străin la un milion de atomi de siliciu. Semiconductorul obținut se numește extrinsec.
Semiconductorul de tip n se obține prin doparea cu elemente pentavalente (fosfor, arseniu, stibiu), numite donoare. Patru dintre cei cinci electroni de valență formează legături, iar al cincilea rămâne liber, disponibil pentru conducție.
Semiconductorul de tip p se obține prin doparea cu elemente trivalente (bor, indiu, galiu), numite acceptoare. Cei trei electroni nu ajung pentru cele patru legături, deci rămâne un gol în structură.
O precizare pe care itemii o testează des și pe care mulți elevi o ratează: deși se vorbește despre purtători pozitivi și negativi, atât semiconductorul de tip n, cât și cel de tip p sunt neutri din punct de vedere electric. Doparea nu adaugă sarcină netă — atomii de impuritate sunt și ei neutri, cu tot cu nucleul lor. Se schimbă doar tipul de purtător mobil predominant, nu bilanțul de sarcină.
Mnemotehnic: n vine de la negativ (electroni majoritari), p de la pozitiv (goluri majoritare). Atenție însă la asocierea inversă, care apare frecvent în răspunsuri greșite: doparea cu element pentavalent dă tip n, iar cu element trivalent dă tip p — nu invers.
Conductivitatea materialului dopat este cu multe ordine de mărime mai mare decât a celui pur și, în plus, controlabilă prin doză, ceea ce a făcut posibilă întreaga electronică modernă.
Joncțiunea p-n se obține punând în contact intim, în același cristal, o regiune de tip p și una de tip n. La interfață se petrece un fenomen spontan: electronii în exces din zona n difuzează spre zona p, iar golurile în sens invers, iar perechile se recombină.
Rezultatul este apariția unei regiuni de golire (zonă de baraj), sărăcită de purtători mobili, în care rămân ionii ficși ai impurităților: negativi în zona p și pozitivi în zona n. Se stabilește astfel un câmp electric intern și o barieră de potențial (circa 0,7 V la siliciu și 0,3 V la germaniu), care oprește difuzia ulterioară.
Comportamentul joncțiunii depinde decisiv de modul de conectare la sursă:
Aceasta este conducția unilaterală, proprietatea fundamentală a diodei semiconductoare: ea lasă curentul să treacă practic într-un singur sens.
Caracteristica curent-tensiune a diodei este puternic nelineară: pe ramura directă, curentul rămâne aproape nul până la tensiunea de deschidere, apoi crește exponențial; pe ramura inversă, curentul este minuscul până la tensiunea de străpungere, dincolo de care dioda se poate distruge (excepție fac diodele Zener, proiectate să lucreze stabil în acest regim, ca stabilizatoare de tensiune).
De reținut că dioda nu respectă legea lui Ohm — rezistența ei nu este constantă, ci depinde de tensiunea aplicată. Este eroarea de raționament cea mai frecventă la problemele cu circuite care conțin diode.
Alte tipuri: LED-ul, care emite lumină la recombinarea purtătorilor în polarizare directă, și fotodioda sau celula fotovoltaică, care funcționează invers, transformând lumina în curent electric.
Redresarea este transformarea curentului alternativ în curent continuu (mai exact, pulsatoriu unidirecțional). Este aplicația practică imediată a conducției unilaterale a diodei — orice încărcător de telefon sau sursă de alimentare conține un redresor.
Redresarea monoalternanță folosește o singură diodă, înseriată cu consumatorul. Ea lasă să treacă doar alternanțele pozitive (când este polarizată direct) și blochează alternanțele negative. La ieșire se obțin impulsuri separate de pauze, iar jumătate din energia semnalului de intrare este pierdută. Randamentul este slab, dar schema este cea mai simplă.
Redresarea bialternanță folosește patru diode în punte (puntea Graetz), sau două diode cu transformator cu priză mediană. Pe fiecare semialternanță conduc câte două diode, astfel încât ambele alternanțe sunt dirijate prin consumator în același sens. La ieșire nu mai există pauze, iar frecvența pulsațiilor este dublă față de cea a rețelei — la 50 Hz intrare rezultă 100 de pulsuri pe secundă.
Tensiunea redresată nu este însă încă utilizabilă pentru aparatura electronică, pentru că pulsează puternic. De aceea, după redresor se adaugă un filtru:
Lanțul complet al unei surse de alimentare, care se cere descris la examen: transformator (coboară tensiunea) → redresor (elimină alternanțele negative) → filtru (netezește) → stabilizator (fixează valoarea).
Confuzia frecventă: se crede că dioda „transformă” curentul alternativ în continuu. Mai precis, ea doar blochează un sens de circulație; forma de undă rezultată este pulsatorie, iar netezirea este realizată de condensator, nu de diodă.
Tranzistorul bipolar este format din trei regiuni semiconductoare alternate, în structură n-p-n sau p-n-p, cu două joncțiuni. Cele trei terminale au roluri distincte:
În funcționarea normală (regim activ), joncțiunea emitor-bază este polarizată direct, iar joncțiunea bază-colector invers. Purtătorii injectați de emitor traversează baza; fiind aceasta atât de subțire, doar o mică parte se recombină acolo, iar marea majoritate ajunge la colector.
Rezultatul este relația care definește utilitatea dispozitivului:
Factorul de amplificare în curent β = I_C/I_B are valori tipice între 50 și câteva sute. Ideea esențială: un curent mic în bază controlează un curent mult mai mare prin colector. Variații mici ale semnalului de intrare produc variații mari la ieșire — acesta este efectul de amplificare.
Precizare importantă, cerută la itemii teoretici: tranzistorul nu creează energie. Energia semnalului amplificat provine din sursa de alimentare a circuitului; tranzistorul doar comandă acest flux, ca un robinet care, cu un efort mic, controlează un debit mare. Elevii care descriu amplificarea ca pe o „înmulțire a energiei” greșesc conceptual.
Cele două regimuri de utilizare:
Avantajele dispozitivelor semiconductoare față de vechile tuburi electronice: dimensiuni mici, consum redus, fără filament de încălzit, fiabilitate mare, cost scăzut și posibilitatea integrării a miliarde de tranzistoare pe un singur cip de siliciu — baza microprocesoarelor, memoriilor și a electronicii moderne.