Electrotehnică

Semiconductori intrinseci

Dispozitivele semiconductoare sunt realizate cu elemente din grupa a IV-a datorita faptului ca legatura dintre atomi este covalenta (legatura chimica care se realizeaza prin punerea în comun a electronilor de valenta a 2 atomi învecinati). Dintre elementele grupei se utilizeaza cu precadere Siliciul si apoi Germaniul.

Caracteristic elementelor semiconductoare este faptul ca energia electronilor se gaseste pe nivele energetice situate în benzi.

Banda de valenta BV contine nivele energetice ale electronilor de energie mica, electroni care sunt prinsi în legaturi covalente. Energia maxima a benzii de valenta se noteaza Wv.

Electronii care au posibilitatea sa se deplaseze în spatiul interatomic (electronii liberi) au energii situate pe nivele energetice corespunzatoare benzii de conductie BC. Energia minima a benzii de conductie se noteaza Wc.

Între cele doua benzi permise (BC si BI) se afla banda interzisa BI, (vezi figura 1.6) a carei latime energetica ”W = Wc - Wv, este o constanta de material fiind specifica naturii semiconductorului – spre exemplu Semiconductori realizati din Si au latimea benzii interzise 1,12 eV [2].

Un electron cu energia Wv , pentru a se desprinde din legatura covalenta, ca sa devina electron liber, trebuie sa primeasca pe o cale oarecare (spre exemplu prin impuls, adica prin ciocnirea cu un electron de viteza mai mare) o energie suplimentara de cel putin ”W. În aceste conditii energia electronului va depasi BI si va trece pe un nivel din interiorul BC – electronul este liber. Parasirea legaturii covalente de electronul care a primit suficienta energie determina o legatura covalenta nesatisfacuta în structura semiconductorului numita gol.

Semiconductori extrinseci

Semiconductorul extrinsec este format dintr-un material semiconductor intrinsec în structura caruia s-au introdus elemente din grupa a III-a (Bo, Al, s.a.) sau din grupa a V-a (P, As, St, s.a.). Concentratiile de elemente straine, voit introduse, sunt foarte mici (1012...1018 atomi/cm3) în raport cu numarul atomilor semiconductorului ( 1022 atomi) motiv pentru care sunt numite impuritati [8].

Semiconductorul de tip N este realizat prin introducerea de elemente din grupa a V-a ceea ce conduce la prinderea în legaturi covalente a 4 electroni ai impuritatii cu atomii semiconductorului de baza ramânând un electron foarte slab legat de atomul de impuritate, care electron la temperatura camerei este electron liber (are energia în BC). Impuritatile din grupa a V-a sunt donoare (de electroni) si introduc un nivel energetic apropiat de banda de conductie Wc notat Wn

Semiconductorii intrinseci se numesc de tip P si de tip N dupa semnul sarcinii purtatorilor majoritari, respectiv golurile de sarcina pozitiva (pentru P) si electronii de sarcina negativa (pentru N).

Nivelul Fermi WF, este acel nivel energetic sub care se gaseste energia tuturor electronilor unui solid în conditiile în care temperatura acestuia este de zero grade Kelvin.

Densitati de curent în semiconductori

Curentul electric de conductie este definit prin miscarea ordonata a purtatorilor de sarcina printr-o suprafata data.

În general, daca nu actioneaza nici o forta curentul este zero.

Curentul electric de conductie apare în conditiile în care asupra purtatorilor de sarcina actioneaza o forta (electrica sau de difuzie) care sa orienteze vitezele

purtatorilor catre suprafata în cauza, ca în figura 1.10a.

Forta electrica este datorata prezentei unui câmp electric de intensitate E în semiconductor.

Valoarea fortei electrice cu care actioneaza câmpul electric de intensitate E asupra unui purtator de sarcina qe este

Forta de difuzie este acea forta care apare datorita neuniformitatii de concentratie a purtatorilor în diferite zone ale semiconductorului fiind proportionala cu gradientul concentratiei

Jonctiunea p-n la echilibru termodinamic

Jonctiunea PN este linia care separa doua zone semiconductoare diferite - una de tipul P si cealalta de tipul N - care au fost puse în contact. La echilibru termodinamic temperatura este constanta si nu exista schimb de energie cu exteriorul. Datorita faptului ca în zona P avem multe goluri, în conditiile în care se pune în contact cu N, apare fenomenul de difuzie care determina transferul de goluri din zona P în zona N. La fel se pune problema pentru electronii din zona N, asa încât plecând golurile de la suprafata semiconductorului de tip P aceasta zona este saracita în purtatori si plecând electroni de la suprafata semiconductorului din zona N aceasta este saracita în sarcini negative

Polarizarea jonctiunii P-N

Polarizarea jonctiunii P-N consta în aplicarea din exterior a unei surse de tensiune electromotoare cu bornele sursei pe zonele neutre ale semiconductorului.

Daca borna pozitiva a sursei se aplica pe zona P polarizarea este directa, iar când pe zona P se aplica borna negativa polarizarea este inversa.

În cazul polarizarii directe a jonctiunii t.e.m. EAA determina aparitia unui câmp electric notat EA care este de sens invers câmpului electric intern notat E0. Rezulta ca valoarea câmpului electric care actioneaza asupra purtatorilor se micsoreaza, ceea ce înseamna ca o parte din purtatori vor traversa datorita fortei de difuzie zona de golire. Golurile din zona P vor ajunge în zona N pâna la o distanta Lp = lp + ”p (vezi figura 1.16), numita lungime medie de difuzie a golurilor si definita drept acea distanta pe care o parcurge un golul pâna la recombinarea cu un electron.

Circuite echivalente ale jonctiunii P-N în regim static

Un circuit echivalent este un circuit realizat cu elemente pasive si surse comandate sau necomandate, care poate înlocui dispozitivul semiconductor fara ca regimul de tensiuni si curenti sa se modifice în exteriorul dispozitivului. Altfel spus aplicând un semnal la intrarea dispozitivului si acelasi semnal la intrarea circuitului echivalent cele doua raspunsuri vor fi identice, pentru un anumit domeniu al semnalului de intrare sau pentru tot domeniul permis.

În figura 1.23 a) este prezentata caracteristica statica sub forma grafica a dispozitivului numit dioda semiconductoare (jonctiunea PN), al carui simbol si model matematic sunt reluate în 1.23b.

Pornind de la caracteristica statica se pot realiza scheme echivalente pentru diferite domenii de functionare al caror raspuns sa fie suficient de aproape de raspunsul real.

Redresorul monofazat monoalternanta

Redresorul din figura 1.33 este monofazat pentru ca se alimenteaza cu o singura tensiune

este monoalternanta pentru ca având un singur element neliniar de circuit, si anume dioda D, poate prelucra o singura alternanta a tensiunii de intrare vi (ca în figura 1.5) si este cu sarcina rezistiva pentru ca la iesire se afla rezistorul RS .Dioda semiconductoare este modelata prin rezistenta interna În circuitul avem un singur curent, circuitul fiind neramificatValoarea de curent continuu este valoarea medie a curentuluiDin reteaua de curent alternativ circuitul absoarbe numai putere activa (pentru ca nu contine decât rezistoare, ceea ce înseamna ca defazajul j dintre tensiune si curent este nul)

redresor monofazat bialternanta

Circuitele de redresare monofazate bialternanta sunt realizate în doua variante:

- cu transformator cu priza mediana,

- cu diode în punte

Transformatorul TR în fiecare alternanta a tensiunii din primar induce în fiecare sectiune a secundarului o tensiune de aceeasi polaritate cu tensiunea de intrare.

Stabilizatorul parametric (cu dioda Zener)

Stabilizatoarele de tensiune continua sunt circuite electronice care au rolul de a mentine constanta tensiunea pe sarcina în conditiile în care se modifica valoarea tensiunii de intrare Vi, curentul absorbit de sarcina IL sau temperatura mediului ambiant de functionare al circuitului

Stabilizatorul se bazeaza pe caracteristice statica a diodei Zener.

Tensiunea de stabilizare (se modifica cu temperatura