Dispozitive Electronice cu Semiconductoare

CAPITOLUL 1

NOŢIUNI FUNDAMENTALE DIN FIZICA SEMICONDUCTOARELOR

1.1. Structura atomică pentru medii fizice solide

Un studiu fizic al dispozitivelor electronice necesită cunoaşterea materialelor sau a mediilor fizice din care sunt fabricate, deoarece structura atomică a acestora influenţează proprităţile lor electrice. Fiecare element chimic este compus din atomi şi toţi atomii dintr-un anumit element prezintă acelaşi aranjament structural. Pentru fiecare atom se defineşte un nucleu central care conţine una sau mai multe sarcini elementare pozitive (Pp - numite protoni), inclusiv particule neutre (N - numite neutroni - fără sarcină electrică). Dacă atomul este complet, nucleul central este înconjurat de sarcini elementare negative ( / - numite electroni) egale ca număr cu sarcinile elementare pozitive (deoarece sarcina pozitivă a unui proton este egală cantitativ cu sarcină negativă a unui electron, rezultă că un atom complet este neutru din punct de vedere electric). Numărul mxim de electoni se calculează cu relaţia:

unde defineşte orbitele ocupate – notate cu K (având n ), L (având n ), M (având n ),... începând de la nucleul fiecărui atom.

Pentru exemplificare se consideră structura unui atom de siliciu (Si), prezentată în figura 1.1, ca unitate de bază a unui material semiconductor care se uilizează pe scară tot mai largă la fabricarea dispozitivelor electronice şi a circuitelor integrate pe plan mondial.

Fig.1.1 – Un model pentru structura atomului de siliciu (cu 4 electroni de valenţă):

nucleul central cu 14 protoni şi 14 neutroni; învelişul electronic cu 14 electroni

(2 electroni pe orbita K, 8 electroni pe orbita L şi 4 electroni pe orbita M).

În anumite condiţii de lucru, electronii de pe ultima orbită a învelişului unui nucleu central (numită şi orbita pentru electronii de valenţă, cu o influenţă semnificativă pentru proprităţile electrice ale materialele semiconductoare utilizate) care pot scăpa din poziţiile iniţiale devin electroni liberi (cu un număr foarte mare la metale, cu un număr foarte mic la izolatoare şi cu un număr important la semiconductoare).

1.2. Siliciu ca material semiconductor (Si)

Din punct de vedere fizic, aproape toate dispozitivele electronice actuale sunt realizate din materiale semiconductoare. Caracteristicile electrice ale semiconductoarelor sunt influenţate direct de modul în care interacţionează atomii din structura materialelor utilizate (în cazul de faţă este vorba de siliciu - Si, deşi primul material semiconductor utilizat în industria de dispozitive electronice a fost germaniu - Ge). Materialele semiconductoare (simple şi/sau compuse, intrinseci – fără impurităţi şi extrinseci – cu impurităţi) sunt structurate prin reţele atomice numite cristale. De exemplu, cristalul de Si are o reţea atomică tetraedrică (ca în fig. 1.2.a – în care fiecare atom se învecinează cu alţi patru atomi de acelaşi tip). Acest tip de reţea asigură o bună stabilitate a fiecărui atom de Si (prin formarea octetului de electroni pe ultima orbită de valenţă), deoarece orbitele sale cu electroni de valenţă se completează cu alţi patru electoni de valenţă care provin de la alţi patru atomi cu care se învecinează. Astfel, interacţiunea dintre electronii de valenţă a celor patru atomi vecini cu electronii de valenţă a unui atom de acelaşi tip generează legături covalente între fiecare pereche de doi atomi (ca în fig. 1.2.b).

Fig. 1.2 – a) Reţeaua cristalină de tip diamant pentru Si.

b) Un model de evidenţiere a legăturilor/semilegăturilor covalente într-un cristal semiconductor de Si.

Din punct de vedere al acurateţei reţelei cristaline, materialele semiconductoare sunt de tip intrinseci (fără impurităţi native sau introduse în mod controlat printr-un proces de dopare) şi de tip extrinseci (cu impurităţi native sau introduse în mod controlat printr-un proces de dopare).

1.3. Conceptul de echilibru termodinamic şi benzi de energie la medii fizice solide

Conceptul de echilibru termodinamic (ETD – fig.1.3 a, bşi c) se defineşte ca un ansamblu de condiţii fizice în care se află un anumit tip de mediu fizic, fără a fi supus la acţiuni induse de câmpuri electrice, de câmpuri magnetice, de câmpuri electromagnetice, de radiaţii nucleare, de vibraţii mecanice, de gradienţi termici şi de alte tipuri de stres. În oricare altă situaţie de lucru, mediile fizice operează în condiţii de nonechilibru termodinamic (NETD – fig. 1.4 a, b şi c).

La toate materialele solide (metale, semiconductoare şi izolatoare) electronii aferenţi fiecărui tip de atom au nivele de energie discrete. Prin interacţiunea unui număr foarte de atomi, din diferite reţele cristaline, nivelele de energie ale electronilor se grupează în benzi de energie permise separate prin benzi de energie interzise (având ecartul notat cu , unde este nivelul minim al benzii de conducţie şi este nivelul maxim al benzii de valenţă, iar nivelul de energie intrinsec – notat cu Wi - este situat la ½ din W). Nivelele de enegie neocupate se delimitează de cele ocupate cu electroni prin nivelul Fermi (notat cu WF).