Dispozitive Electronice

1. Noţiuni de fizica semiconductoarelor

1.1. Purtători de sarcină în semiconductoare

Semiconductoarele sunt corpuri solide având o structură cristalină, adică au atomii repartizaţi în spaţiul tridimensional după o anumită configuraţie geometrică – de exemplu în vârfurile unui tetraedru, fig.1.1.a. La aceste structuri cristaline, legăturile dintre atomii reţelei sunt de tip covalent. Legătura covalentă se realizează prin punerea în comun de către doi atomi vecini a câte unui electron.

Semiconductoarele cel mai frecvent utilizate la realizarea dispozitivelor electronice sunt cristalele elementelor tetravalente de Ge şi Si. Reprezentarea bidimensională simplificată a legăturilor covalente într-o reţea cristalină de Si este dată în fig. 1.1.b, unde legăturile covalente se redau simplificat prin două linii paralele ce unesc doi atomi învecinaţi.

La temperaturi scăzute (tinzând spre 0oK) şi în absenţa altor factori externi, toţi electronii de valenţă sunt prinşi în legături covalente, deci fixaţi în reţeaua cristalină şi semiconductorul se comportă ca un izolator perfect (nu are purtători de sarcină mobili).

La temperaturi mai mari de 300oK, ţinând cont de caracterul statistic în care se distribuie energia termică inmagazinată în cristal apare posibilitatea ca un număr foarte mic de electroni de valenţă să capete energii suficiente (0,6 eV la Ge şi 1,11 eV la Si) şi să se desprindă din legăturile covalente devenind electroni liberi. Aceşti electroni, care se deplasează liber prin cristalul semiconductor, vor participa la conducţia curentului electric şi se vor numi electroni de conducţie. Prin părăsirea legăturii covalente, ei lasă un loc liber în ea, denumit gol, în care poate veni foarte uşor un alt electron dintr-o altă legătură covalentă, lăsând acolo un loc liber, ş.a.m.d., astfel încât se creează impresia că acest loc liber se deplasează în cristal.

În consecinţă, într-un cristal semiconductor se pot considera că există două tipuri de purtători mobili:

– electronul de conducţie cu sarcina (-e);

– golul cu sarcina (+e) – acesta fiind o sarcină fictivă cu ajutorul căreia se explică conducţia în semiconductoare.

1.2. Nivele energetice şi benzi energetice

Repartizarea electronilor pe orbite sau straturi are loc ţinând seama că:

– electronii unui atom pot să aibă numai anumite nivele discrete de energie numite nivele energetice permise;

– atât timp cât un electron se află pe un nivel energetic permis, el nu absoarbe şi nu cedează energie;

– dacă un electron trece de pe o orbită pe alta (de pe un nivel energetic permis pe altul) el absoarbe sau cedează sub formă radiantă o cuantă de energie egală cu diferenţele de energie W1 – W2 corespunzătoare celor două nivele energetice.

Deoarece fiecărui electron, chiar în cadrul aceleiaşi orbite, îi corespunde numai un nivel energetic permis rezultă că fiecare strat de electroni dintr-un atom izolat va fi definit (după numărul electronilor din strat) printr-un număr de nivele energetice permise. Într-un cristal cu atomii distribuiţi periodic în spaţiu dacă nivelele ar rămâne ca la atomii izolaţi s-ar găsi câte un electron de la fiecare atom în aceiaşi stare. Pentru a nu contraveni principiul lui Pauli (conform căruia într-un sistem doi electroni nu pot avea aceiaşi stare cuantică) nivelele energetice se despică în benzi energetice.

În cazul unui semiconductor aflat la 0oK electronii de valenţă ocupă complet o bandă denumită bandă de valenţă (BV), fig.1.2. Banda permisă imediat superioară se numeşte bandă de conducţie (BC). Cele două benzi sunt separate între ele de banda interzisă (BI), pe care nici un electron nu se poate situa.

Diagrama de benzi energetice poate explica deosebirile dintre proprietăţile conductive ale metalelor, semiconductoarelor şi izolatoarelor. La temperatura T = 0oK diagrama de benzi energetice se prezintă ca în fig.1.3.