Utilizarea Diodelor

Asemanarea fundamentala intre cele trei categorii enuntate consta in faptul ca toate au structura interna bazata pe atomi, constituiti la randul lor din nucleu si electroni.In nucleu este concentrate practic masa intregului atom si este incarcat pozitiv, electronii ce graviteaza in jurul nucleului avand sarcina negative care compenseaza ca valoare, incarcarea pozitiva a nucleului, atomul aparand astfel ca neutru din punct de vedere electric. Conform principiilor stabilite in fizica atomica,electronii pot ocupa numai orbite caracterizate prin distante bine definite fata de nucleu,energia pe care o poseda depinzand de aceste pozitii. Cu cat orbita lor este mai departe de nucleu, fortele de legatura cu acesta sunt mai slabe si deci ei pot fi indepartati mai usor prin aplicarea unei energii exterioare.

Deoarece acesti electroni periferici dau valenta elementului,ei se numesc electroni de valenta. Totalitatea valorilor energetice ce caracterizeaza electronii din structura unui element, constituie banda sa energetica de valanta.

Prin aplicarea unei energii exterioare ce depaseste o valaore minima caracterisatica, un numar de electroni din banda de valenta pot fi smulsi, devenind astefel electroni liberi.Sub influenta unui camp electric care ii dirijeaza,ei formeaza curentul electric. Deoarece prin ei se asigura conductibilitatea elementului, in conditia in care ei capata o anumita energie, banda energetica care ii caracterizeaza se numeste banda de conductie.In diagramele energetice ale tuturor elementelor (conductoare, semicondcuctoare si izolante) exista cel putin doua benzi energetice, de valenta (BV) si de conductie (BC).(fig 2.1)

Faptul ca orice material poate deveni conductor, in anumite conditii, si ca aceasta se asigura prin trecerea unui electron de valenta in banda de conductie, constituie principala trasatura comuna a celor trei categorii de elemente.

Deosebirile intervin la stabilirea conditiilor mentionate, mai précis in gasirea enregiei minime necesare trecerii electronilor dintr-o banda in alta. In adevar , se constata ca daca la metale aceasta are o valoare extrem de mica, la semiconductoare ea trebuie sa depaseasca o valoare minima, aproximativ 1 eV (0.7 eV la Ge, 1.1 eV la Si), iar la materialele izolante (de exemplu de diamant) ordinal de marime ale acestei energii minime devenind 6-7 eV. In cazul in care energia exterioara este sub valoarea minima caracteristica, electronii sunt indepartati pentru un timp foarte scurt din banda de valenta, dupa care revin, emitand o radiatie corespunzatoare energiei primate. Aceasta situatie este ilustrata in diagrama energetica prin prezenta la semiconductoare si la izolatoare, a unei benzi numita interzisa, situate intre banda de valenta si cea de conductie. Latimea ei, exprimata in eV, da valoarea energiei minime impuse. Se constata ca la izolatoare aceasta banda este mult mai mare decat la semiconductoare.

Materialele ale caror aplicatii vor fi studiate mai departe sunt semiconductoarele, cu reprezentanti clasici – siliciul si germaniul, ambele tetravalente, deci avand patru electroni de valenta pe ultimul strat.

Studiind aceste elemente si comparandu-le cu metalele, in afara observatiilor facute mai inainte, se mai pot constata si alte deosebiri.

Daca la metale electronii de valenta pot parasi relative usor atomul, datorita fortelor de atractie slabe exercitate de nucleu, in cazul semiconductoarelor stabilitatea acestor electroni este mult mai mare datorita legaturilor lor specifice, numite legaturi covalente. In cazul acestor legaturi, electronii de valenta graviteaza nu numai in jurul propriilor lor nuclee, ca in cazul metelelor, ci si in jurul nucleului vecin (fig 2.2), forta de atractie exercitata asupra electronilor periferici fiind astfel mult mai mare.

Acest tip de legatura genereaza o alta deosebire fundamentala constand in urmatoarele: daca intr-un astfel de semiconductor se smulge un electron, trecandu-se din banda de valenta in banda de conductie, in reteaua din care a plecat electronul ramane o legatura nesatisfacuta. Se spune ca s-a format un gol. Un electron vecin poate lua locul ramas liber, lasand la randul lui propria legatura nesatisfacuta, un altul o ocupa in locul celui de-al doilea etc.Miscarea electronilor din banda de valenta poate fi descrisa de catre miscarea de sens opus a golurilor.In md conventional se atribuie golului o sarcina pozitiva, deoarece prin plecarea electronului starea neutral a atomului s-a modificat, predominand sarcina pozitiva a nucelului.Pentru a evita formularile: “miscarea electronilor din banda de conductie”, respective “miscarea electronilor din banda de valenta” - s- a convenit sa se descrie deplasarea primilor ca deplasare de electroni , iar in al doilea caz sa se foloseasca , cu sens opus, deplasarea golurilor.

Se observa ca electronii ce trec in banda de conductie lasa in urma lor acelasi numar de goluri,Se spune ca are loc un fenomen de generare de perechi electron-gol, ce se petrece ori de cate ori, cu o energie exterioara ce depseste valoric energia corespunzatoare benzii interzise, se smulge un electron de valenta pentru a-l transforma in electron liber(de conductie).

Se constata ca enegia termica corespunzatoare temperaturii normale a mediului ambient (290K) este suficienta pentru a produce un numar de perechi electron-gol, cresterea ei ducand la marirea conductibilitatii semiconductorului, spre deosebire de metale (conducoare), unde marirea temperaturii duce la micsorarea conductibilitatii electrice.

SEMICONDUCTOARE DE TIP N SI P

In sfarsit, deosebirea cea mai importanta intre metale si semiconductoare,pe care se bazeaza toate aplicatiile acestora din urma, consta in faptul ca, in cazul semiconductoarelor exista procedee prin care se poate influenta conductibilitatea lor.

Fe nomenele examinate pana acum in semiconductoare s-au desfasurat in semiconductoare pure, numite semiconductoare intrinseci.

Daca intr-un astfel de cristal tetravalent (Ge, Si) se inlocuieste, fara a modifica structura retelei, un atom semiconductor cu elemente a caror valenta difera cu o unitate in plus (pentavalente) sau in minus (trivalente), atunci cristalul respectiv se numeste impurificat sau extrinsic, substantele introduce se numesc impuritati si actiunea efectuata este de “dopare” sau “impurificare”.

Efectul doparii depinde de tipul substantei introduce.Astfel, folosind atomi pentavalenti de arseniu, stibiu, bismuth sau fosfor patru din cei cinci electroni de valenta ai impuritatii vor satisface cele patru legaturi ale atomului de GE sau Si inlocuit.Cel de-al cincilea electron ramane legat numai de nucleul propriu, deci poate fi smuls, cu o energie relativ mica si trecand in banda de conductie devine electron liber.