Materiale Semiconductoare

INTRODUCERE

Din punctul de vedere al proprietăţii corpurilor solide de a fi străbătute de curent electric sub acţiunea unei tensiuni electrice continue aplicate din exterior, acestea se împart în trei mari categorii:

• conductoare (metalele);

• semiconductoare;

• izolatoare.

În metale întâlnim o structură cristalină, unde în nodurile reţelei cristaline se găsesc plasaţi ioni pozitivi, în timp ce printre noduri se mişcă liber şi haotic electroni. Apariţia electronilor liberi se explică prin forţa de legătură foarte slabă a electronilor de valenţă. Concentraţia electronilor liberi este de ordinul 1028 m-3 şi nu depinde practic de temperatură. Rezistenţa electrică a metalelor este determinată de frecvenţa ciocnirilor electronilor liberi cu ionii pozitivi din nodurile reţelei. Ionii sunt într-o permanentă vibraţie termică în jurul unei poziţii de echilibru. Cu creşterea temperaturii, amplitudinea oscilaţiilor creşte, ceea ce frânează mişcarea de ansamblu a electronilor liberi sub acţiunea unui câmp electric exterior. Aşa se explică creşterea rezistenţei (rezistivităţii) metalelor cu temperatura.

Izolatoarele nu conduc curentul electric deoarece în interiorul lor, practic, nu există purtători liberi de sarcină electrică. Aceste materiale, cum ar fi mica, materiale plastice, sticla, ceramica, marmura, hârtia, cauciucul etc. sunt foarte folosite în electrotehnică în general pentru a realiza diferite izolaţii electrice.

Materialele semiconductoare sunt materiale a căror conductivitate electrică este cuprinsă aproximativ între (10-10...103 ) şi se situează din acest punct de vedere între conductoare (104...106 ) şi izolatoare (10-12...10-18 ). Proprietăţile lor electrice legate de conductivitate sunt puternic influenţate de prezenţa dorită a anumitor impurităţi.

În anii 1950 după apariţia tranzistorului, germaniul era principalul material semiconductor dar era de nefolosit în multe aplicaţii datorită curentului rezidual ridicat la temperaturi nu prea mari.

În plus, proprietăţile modeste ale oxidului de germaniu nu permiteau dezvoltarea unor tehnologii performante.

Prin anii ‘60 siliciul devine înlocuitorul practic al germaniului datorită curenţilor reziduali mult mai mici şi proprietăţilor remarcabile ale oxidului său (care au permis dezvoltarea tehnologiei planare) şi nu în ultimul rând considerentele economice (costul siliciului monocristalin utilizabil pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare şi a circuitelor integrate este cel mai scăzut în comparaiţie cu preţul altor materiale).

În prezent, Si este unul dintre cele mai cunoscute materiale din tabelul periodic iar tehnologia siliciului este pe departe cea mai avansată dintre toate tehnologiile câte, sunt aplicate în microelectronică.

Cu toate avantajele legate de Si, acest material rămâne încă modest din punct de vedere al performanţelor sale la frecvenţe înalte, în domeniul optic, etc. În ultimii ani au fost dezvoltate exploziv şi alte materiale care să poată acoperi aplicaţiile în care Si a devenit inutilizabil.

CAPITOLUL I. MATERIALE SEMICONDUCTOARE

Semiconductoarele se deosebesc fundamental de conductoare nu numai prin valoarea conductivităţii dar şi prin modul în care aceasta variază cu temperatura (valoarea conductivităţii creşte cu temperatura în timp ce în conductoare aceasta scade).

De asemenea, valoarea conductivităţii semiconductoarelor este puternic influenţată de defectele existente în structura cristalină a materialului şi de factori externi, în timp ce la conductoare acestea n-au practic nici o influenţă.

Acestea sunt, în pricipal, materiale semiconductoare compuse (compuşi intermetalici) din grupele A III-B V şi A II-B VI. Cu A şi B sunt notate materialele (elementare sau compuse) ce aparţin grupei a ///-a şi respectiv a V-a a tabelului periodic.

Astfel, în mod uzual, compuşii A III -B V sunt constituiţi din:

A= In, Ga, Al (sau combinaţii echivalente cum ar fi, de ex. Ga x Al1-x) iar

B= N, Sb, As, P (sau combinaţii echivalente, de ex. Sby P1-y).

Aceste materiale, în special GaAs, sunt utilizate în aplicaţii optice sau de microunde. Tehnologia acestor materiale s-a dezvoltat pornind de la metodele cunoscute din tehnologia Si dar implică procedee particulare mai complexe (deci mai scumpe).