Semiconductori și aplicații

Proprietățile semiconductoarelor, joncțiunea p-n și componente electronice de bază.

Conductori, semiconductori și izolatori

Clasificarea materialelor după conducția electrică se face cel mai clar cu ajutorul benzilor de energie. În solid, nivelurile energetice ale atomilor individuali se lărgesc în benzi permise, separate de benzi interzise. Contează două dintre ele: banda de valență, ocupată de electronii legați, și banda de conducție, în care electronii se pot mișca liber prin cristal.

• Conductoarele (metalele) au banda de valență și cea de conducție suprapuse sau parțial ocupate. Există electroni liberi la orice temperatură, iar rezistivitatea este foarte mică, de ordinul 10⁻⁸ ohm·metru.
• Izolatoarele au o bandă interzisă largă (peste 3 eV). Electronii nu pot fi promovați în banda de conducție la temperaturi obișnuite, iar rezistivitatea depășește 10⁸ ohm·metru.
• Semiconductoarele au o bandă interzisă îngustă: 1,12 eV pentru siliciu, 0,67 eV pentru germaniu. La temperatura camerei, agitația termică promovează deja o parte dintre electroni în banda de conducție.

Deosebirea decisivă, cea care se cere ca item teoretic, este comportarea rezistivității cu temperatura:

• la metale, rezistivitatea crește cu temperatura, pentru că agitația termică a rețelei împiedică deplasarea electronilor, al căror număr rămâne practic constant;
• la semiconductoare, rezistivitatea scade puternic cu temperatura, pentru că se eliberează tot mai mulți purtători de sarcină.

Acest comportament opus stă la baza termistoarelor, folosite ca senzori de temperatură. Semiconductoarele își micșorează rezistența și sub acțiunea luminii (fotorezistoare) sau prin adăugarea controlată de impurități, ceea ce le face materialele ideale pentru electronică: conducția lor poate fi comandată din exterior, spre deosebire de cea a metalelor.

Semiconductori intrinseci și extrinseci

Un semiconductor intrinsec este un cristal pur, de exemplu siliciu, în care fiecare atom formează patru legături covalente cu vecinii lui. Prin agitație termică, unele legături se rup: electronul eliberat trece în banda de conducție, iar în locul lăsat liber apare un gol, care se comportă ca o sarcină pozitivă mobilă. La semiconductorul intrinsec, numărul de electroni este egal cu numărul de goluri, iar conducția este slabă.

Doparea este introducerea controlată a unor impurități, în proporții minuscule (un atom străin la un milion), care schimbă radical conductivitatea. Rezultă semiconductorii extrinseci:

• tip n – dopat cu elemente pentavalente (fosfor, arsen, stibiu), numite donoare. Al cincilea electron de valență nu are cu cine forma legătură și devine practic liber. Purtătorii majoritari sunt electronii, iar cei minoritari golurile.
• tip p – dopat cu elemente trivalente (bor, aluminiu, galiu), numite acceptoare. Lipsește un electron pentru a completa legăturile, deci apare un gol. Purtătorii majoritari sunt golurile, iar cei minoritari electronii.

Aici apare cea mai frecventă greșeală de înțelegere din tot capitolul: mulți elevi cred că semiconductorul de tip n este încărcat negativ, iar cel de tip p pozitiv. Fals. Ambele sunt neutre din punct de vedere electric — fiecare atom de impuritate aduce cu el și protonii corespunzători. Literele n și p indică semnul purtătorilor majoritari de sarcină, nu o sarcină netă a materialului.

A doua idee de reținut: golul nu este o particulă reală, ci un mod comod de a descrie deplasarea în lanț a electronilor de valență, care se mișcă în sens invers golului.

Joncțiunea p-n. Dioda semiconductoare

Joncțiunea p-n se obține punând în contact intim, în același cristal, o regiune de tip p cu una de tip n. La contact se întâmplă ceva ce trebuie descris în ordine:

1. Electronii majoritari din zona n difuzează spre zona p, iar golurile din p difuzează spre n; ei se recombină lângă suprafața de separare. 2. Rămân descoperiți ionii ficși ai impurităților: negativi în zona p, pozitivi în zona n. 3. Se formează astfel o regiune de sarcină spațială (strat de baraj), sărăcită de purtători mobili, în care apare un câmp electric intern ce se opune difuziei ulterioare. 4. Apare o barieră de potențial, de aproximativ 0,7 V la siliciu și 0,3 V la germaniu.

Comportarea la polarizare este esența dispozitivului:

• polarizare directă (plus la p, minus la n): câmpul exterior se opune celui intern, bariera scade, stratul de baraj se îngustează și, peste tensiunea de deschidere, curentul crește rapid. Dioda conduce;
• polarizare inversă (plus la n, minus la p): bariera crește, stratul de baraj se lărgește și trece doar un curent rezidual foarte mic, dat de purtătorii minoritari. Dioda blochează.

Dioda are deci conducție unilaterală, iar caracteristica ei curent-tensiune este puternic neliniară — de aceea nu i se poate aplica legea lui Ohm în forma obișnuită, o observație cerută adesea la subiectele teoretice.

La tensiuni inverse mari apare străpungerea; dacă este controlată, ca la dioda Zener, ea devine utilă pentru stabilizarea tensiunii.

Aplicația de bază este redresarea curentului alternativ: cu o singură diodă se obține redresare monoalternanță, iar cu patru diode în punte redresare bialternanță, mult mai eficientă. Un condensator de filtraj netezește apoi tensiunea pulsatorie. Aceasta este schema oricărui alimentator.

Tranzistorul bipolar

Tranzistorul bipolar este format din trei regiuni semiconductoare alternante, în structură n-p-n sau p-n-p, adică din două joncțiuni p-n care își împart regiunea din mijloc. Cele trei electrozi se numesc:

• emitorul (E) – puternic dopat, furnizează purtătorii;
• baza (B) – foarte subțire și slab dopată, comandă fluxul de purtători;
• colectorul (C) – colectează purtătorii, are suprafață mai mare pentru disiparea căldurii.

Pentru funcționarea normală, în regim activ, polarizarea se face după o regulă fixă: joncțiunea emitor-bază direct, joncțiunea bază-colector invers.

Mecanismul, explicat pe tranzistorul n-p-n: joncțiunea emitor-bază fiind polarizată direct, electronii sunt injectați masiv din emitor în bază. Baza fiind foarte subțire, doar o mică parte dintre ei se recombină acolo (aceștia formează curentul de bază), iar restul, peste 95 la sută, sunt atrași de câmpul puternic al joncțiunii bază-colector și ajung la colector.

De aici rezultă cele două relații care se cer:

• I_E = I_B + I_C (o simplă aplicare a legii I a lui Kirchhoff);
• β = I_C/I_B, factorul de amplificare în curent, tipic între 50 și 500.

Ideea centrală: un curent mic de bază controlează un curent mult mai mare de colector. Aceasta este amplificarea. Energia suplimentară nu apare din nimic, ci este furnizată de sursa de alimentare din circuitul de colector — precizare care se cere explicit, pentru că mulți elevi vorbesc despre tranzistor ca despre o sursă de energie.

Regimuri de funcționare: activ (amplificator, în montaje audio și de radiofrecvență), blocat și saturat. Ultimele două, folosite alternativ, transformă tranzistorul într-un comutator electronic — funcția pe care se construiesc porțile logice și, în cele din urmă, procesoarele.

Aplicații ale semiconductoarelor

Semiconductoarele au făcut posibilă toată electronica modernă, iar aplicațiile lor pot fi grupate pe funcții.

Conversia energiei:

• celula fotovoltaică este o joncțiune p-n de suprafață mare, în care fotonii absorbiți generează perechi electron-gol; câmpul intern al joncțiunii le separă și apare o tensiune electromotoare. Este efectul fotoelectric intern, în care electronii nu părăsesc materialul, ci trec doar în banda de conducție;
• LED-ul (dioda electroluminiscentă) face conversia inversă: la polarizare directă, recombinarea electronilor cu golurile eliberează fotoni. Culoarea depinde de lățimea benzii interzise a materialului, nu de curentul aplicat.

Detecția și măsurarea: fotodiode și fototranzistoare în telecomenzi și senzori optici, termistoare pentru temperatură, fotorezistoare pentru iluminare, senzori Hall pentru câmp magnetic, senzori de presiune din siliciu.

Prelucrarea semnalului și a informației: amplificatoare cu tranzistoare, circuite integrate care înghesuie miliarde de tranzistoare pe câțiva milimetri pătrați de siliciu, memorii, microprocesoare. Tranzistorul folosit ca întrerupător este cărămida logicii binare: blocat înseamnă 0, saturat înseamnă 1.

Alimentarea: diode redresoare, diode Zener pentru stabilizare, tiristoare pentru comanda puterii în instalații industriale.

Două motive pentru care siliciul a devenit materialul dominant, deși germaniul a fost primul folosit: este extrem de abundent (al doilea element din scoarța terestră) și formează un oxid izolator de foarte bună calitate, dioxidul de siliciu, indispensabil în fabricarea circuitelor integrate. Germaniul rămâne util acolo unde se cere o tensiune de deschidere mică, de 0,3 V, dar suportă mult mai prost temperaturile ridicate.

Test — 6 întrebări ca la examen