Dispozitive și Materiale Utilizate în Sisteme IT

1. MATERIALE SEMICONDUCTOARE

1.1 Introducere

Materialele semiconductoare sunt materiale a caror conductivitate electrica este cuprinsa aproximativ între (10-10...103 ) si se situeaza din acest punct de vedere între conductoare (104...106 ) si izolatoare (10-12...10-18 ). Proprietatile lor electrice legate de conductivitate sunt puternic influentate de prezenta dorita a anumitor impuritati.

Semiconductoarele se deosebesc fundamental de conductoare nu numai prin valoarea conductivitatii dar si prin modul în care aceasta variaza cu temperatura (valoarea conductivitatii creste cu temperatura în timp ce în conductoare aceasta scade).

De asemenea, valoarea conductivitatii semiconductoarelor este puternic influentata de defectele existente în structura cristalina a materialului si de factori externi, în timp ce la conductoare acestea n-au practic nici o influenta.

În anii 1950 dupa aparitia tranzistorului, germaniul era principalul material semiconductor dar era de nefolosit în multe aplicatii datorita curentului rezidual ridicat la temperaturi nu prea mari.

În plus, proprietatile modeste ale oxidului de germaniu nu permiteau dezvoltarea unor tehnologii performante. Prin anii ‘60 siliciul devine înlocuitorul practic al germaniului datorita curentilor reziduali mult mai mici si proprietatilor remarcabile ale oxidului sau (care au permis dezvoltarea tehnologiei planare) si nu în ultimul rând considerentele economice (costul siliciului monocristalin utilizabil pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare si a circuitelor integrate este cel mai scazut în comparaitie cu pretul altor materiale).

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

Cu toate avantajele legate de Si, acest material ramîne înca modest din punct de vedere al performantelor sale la frecvente înalte, în domeniul optic, etc. În ultimii ani au fost dezvoltate exploziv si alte materiale care sa poata acoperi aplicatiile în care Si a devenit inutilizabil. Acestea sunt, în pricipal, materiale semiconductoare compuse (compusi intermetalici) din grupele A III-B V si A II-BVI. Cu A si B sunt notate materialele (elementare sau compuse) ce apartin grupei a ///-a si respectiv a V-a a tabelului periodic.

Astfel, în mod uzual, compusii A III -B V sunt constituiti din:

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

B= N, Sb, As, P (sau combinatii echivalente, de ex. Sby P1-y). Aceste materiale, în special GaAs, sunt utilizate în aplicatii optice sau de microunde. Tehnologia acestor materiale s-a dezvoltat pornind de la metodele cunoscute din tehnologia Si dar implica procedee particulare mai complexe (deci mai scumpe).

1.2 Clasificarea materialelor semiconductoare

Materialele semiconductoare pot fi:

- materiale elementare - Ge, Si etc. ;

- materiale compuse:

Compusi IV – IV SiC, SiGe;

Compusi III - V

binari: din care: AlSb, GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb...

ternari: AlxGa1-xAs, GaxIn1-x As, ....

cuaternari: GaxIn1-x Py As1-y, Inx Al1-xSbyP1-y, Inx Al1-xAsyP1-y ..

Compusi II – VI: CdS, CdTe, ZnO, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdSSe, CdyZn1-yTe etc.

Compusi complecsi:

I-IV-V CuAsS2, AgSbTe2, AgBiSe, ....

II-IV-V CdSnAs2, ZnSbAs2, MgGeP2, ...

Materialele semiconductoare cum ar fi siliciul si germaniul au structura cristalina de tip diamant care apartine familiei cubice. Altele cum ar fi GaAs au structura de tip blenda de zinc apropiata de cea a diamantului. La acestea atomii de As alterneaza cu cei de Ga iar concentratia lor determina tipul de semiconductor si de conductivitate. Fortele de legatura care tin structura cristalina sunt, în principal, forte tari de tipul legaturilor covalente. Pe lânga acestea se manifesta si forte electrosatice de tipul legaturilor ionice. Când temperatura creste, vibratiile termice pot depasi forta legaturilor covalente care se rup eliberând electroni care pot contribui la modificarea conductivitatii materialului.

Functionarea dispozitivelor semiconductoare se bazeaza pe deplasarea purtatorilor de sarcina (electroni si goluri) în material. Nivelele energetice pe care electronii le pot ocupa în corpul solid sunt dispuse în interiorul unor benzi energetice permise, separate de benzi interzise, în care electronii nu pot avea energie. La temperaturi mai mari decât zero absolut, exista întotdeauna un numar de electroni liberi si de goluri, ca urmare a ruperii unor legaturi covalente (fenomenul de generare de perechi electron-gol). Acesti purtatori sunt cvasi liberi, ei nu apartin unui anume atom si se pot deplasa prin reteaua cristalina, participând la conductivitatea materialului. Uneori ei pot intra într-o legatura covalenta si dispar ca purtatori liberi (fenomenul recombinarii electron-gol). Pentru a creste conductivitatea unui semiconductor se introduc prin dopare controlata impuritati (atomi de materiale straine) care au numar diferit de electroni de valenta decât semiconductorul. De exemplu daca în siliciu care este tetravalent se substituie unii atomi de baza cu atomi din grupa a III-a (Al, Ga etc.), va rezulta un deficit de electroni pentru legaturile covalente. Ca urmare, va exista o concentratie mai mare de goluri (locuri libere) decât de electroni liberi. Semiconductorul se numeste de tip p si conductia este data în principal de goluri. Într-o alta situatie, când unii atomi de baza sunt substituiti cu atomi din grupa a V-a (P, Ga etc.), vor exista electroni liberi, nefixati în legaturile covalente care vor participa la conductie. În acest caz semiconductorul este de tip n, iar conductia este în principal electronica. Materialele din grupa a III-a se numesc acceptoare, iar cele din grupa a V-a, donoare. Semiconductoarele nedopate se numesc intrinseci, iar conductia acestora este data deopotriva de electroni si de goluri.

1.3 Calculul concentratiei de purtatori

Conductivitatea electrica a semiconductoarelor este puternic influentata de existenta purtatorilor mobili de sarcina electrica (electroni si goluri).

Concentratiile de purtatori liberi definite ca fiind numarul de electroni, n, respectiv de goluri, p din unitatea de volum, care participa la conductie depind de tipul de material semiconductor, de marimea benzii interzise, de temperatura si se determina cu relatiile: