Semiconductori

În funcţie de valoarea lui lărgimea benzii interzise(Eg), de gradul de ocupare cu electroni a benzii de conducţie BC, rezistivitate şi alte proprietăţi corpurile solide se pot împărţi în 3 mari grupe: conductoare (metale), izolatoare şi semiconductoare. Semiconductoarele sunt materiale de bază pentru fabricarea dispozitivelor şi a circuitelor integrate, cât şi a nanocristalelor. Două proprietăţi justifică această acţiune:

Rezistivitatea semiconductoarelor poate fi modelată în limite largi şi precis controlată cu impurităţi. Conducţia electrică într-un solid înseamnă mişcarea dirijată a purtătorilor de sarcină de la o zonă la alta a materialului, sub acţiunea unui stimul exterior (câmp electric, creşterea temperaturii). Acest fenomen este condiţionat de existenţa cel puţin a unei benzi incomplet ocupate cu electroni. În caz contrar conducţia este imposibilă. La T = 0K nu există conducţie.

Mişcarea electronilor într-un cristal este descrisă de legile mecanicii cuantice. Dar pentru a analiza fenomenele de conducţie e preferabilă utilizarea legilor mecanicii Newtoniene, de aceea se definesc 2 tipuri de particule mobile cu sarcină electrică. Transportul curentului în semiconductor este asigurat de 2 tipuri de purtători: electroni şi goluri.

a) Electronul de conducţie (e-) folosit în modelare are aceeaşi sarcină ca şi electronul obişnuit ( ), dar o masă efectivă diferită de masa electronului aflat în stare de repaus .

Specific cristalelor semiconductoare este faptul că la conducţie participă nu numai electronii liberi (de conducţie), ci şi electronii de valenţă care sunt legaţi de atomii din reţea. Datorită distanţei foarte mici dintre atomii unei reţele cristaline, fiecare electron de valenţă al unui atom formează o pereche cu un electron de valenţă din atomul vecin stabilind o legătură covalentă.

Formarea electronilor de conducţie şi a golurilor

În momentul în care electronul de valenţă primeşte o energie cel puţin egală cu energia de activare (Eg), legătura covalentă se va rupe şi el va deveni electron de conducţie. Astfel în urma lui va lăsa o legătură covalentă nesatisfăcută, care este modelată cu ajutorul unei particule numită gol.

b) Golurile sunt nişte particule fictive cu sarcină pozitivă ( ) şi masă efectivă ( ), care se deplasează prin cristal şi contribuie ca şi electronii liberi la conducţia electrică.

Sub acţiunea unui câmp electric exterior, golurile formate în urma ruperii legăturii covalente, pot fi ocupate de electronii de valenţă ai atomilor vecini care la rândul lor vor lăsa în urmă alt gol. Prin urmare are loc o deplasare a electronilor legaţi (de valenţă) într-un sens şi a golului în sens contrar.

Cel mai adesea se folosesc combinaţii de metale din aceleaşi perioade ale grupelor III-a şi a V-a. Dintre acestea, semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obţinute atât din amestecuri ale elementelor grupelor IIa şi VIa (Zinc şi Seleniu – ZnSe) cât şi din amestecuri de trei sau patru elemente.

Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosită în electronică datorită posibilităţii controlului proprietăţilor electrice. Rezistivitatea electrică a unui semiconductor scade odată cu creşterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificată în limite foarte largi (10-2 – 108  cm). Într-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrică este dată de electronii proprii, numită şi conductibilitate intrinsecă, iar în cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinsecă. Conductibilitatea intrinsecă poate fi explicată pe scurt astfel. La temperatura de 0K, electronii sunt aşezaţi în legăturile covalente formate între atomii semiconductorului intrinsec.

Odată cu creşterea temperaturii unii electroni se rup din legături fiind liberi să circule în tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar în locul electronului plecat rămâne un gol. Imediat el se ocupă cu un alt electron alăturat, golul se deplasează o pozitie. Daca aplicăm un câmp electric în semiconductor, electronii liberi se vor mişca în sens invers câmpului, dar şi golurile vor forma un curent pozitiv de acelaşi sens cu câmpul.

Cel mai interesant fenomen îl reprezintă modificarea spectaculoasă a rezistivităţii electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel, dacă din 105 atomi de Siliciu unul este înlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori!!! Impurificare reprezintă o problemă specifică şi fundamentală a fizicii şi tehnologiei semiconductorilor.

Dacă impurificăm Germaniul (grupa IVa, patru electroni de valenţă) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de valenţă) vom obţine un amestec cu un electron de valenţă liber. Această impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul său de energie este mai aproape de zona de conducţie. Dacă impurificarea este făcută cu atomi din grupa a 3-a (trei electroni de valenţă), acesta se va integra în reţeaua cristalină cu doar trei legături covalente, rămânând, deci, un gol capabil de a captura electroni în jurul atomului trivalent. Din această cauză atomii acestui tip de impurităţi au primit numele de acceptori. Într-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde numele de semiconductor de tip p. Joncţiunile p – n sunt ansambluri formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de separare, interfaţa, are marimi de ordinul 10-4 cm. La suprafaţa semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafaţa semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinţa de compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celălalt.