1.Materiale electronice

Curs 01Materiale componente şi circuite pasive: 2009 – 2010

Partea I. Materiale electronice

1. Tipuri de materiale electronice

Materialele electronice sunt utilizate pentru realizarea componentelor/dispozitivelor electronice. Aceste materiale au o structură cristalină în care atomii sunt legaţi între ei prin intermediul unor legături covalente la care participă electronii de valenţă ai atomilor din care este realizat materialul respectiv.

Din punct de vedere electric, materialele electronice se împart în trei mari categorii şi anume:

1 Conductoare2 Semiconductoare3 Izolatoare

În Figura 1 sunt prezentate cele mai uzuale elemente chimice utilizate pentru obţinerea materialelor din care sunt realizate componentelor/dispozitivele electronice.

Figura 1.

Proprietatea care diferenţiază cele trei tipuri de materiale electronice este conductibilitatea electrică (proprietatea unui material de a permite trecerea curentului electric). Conductibilitatea electrică a materialelor este determinată de apariţia purtătorilor de sarcină electrică, în anumite condiţii energetice şi de deplasarea acestora în structura internă a materialului respectiv.

Descrierea purtătorilor de sarcină electrică se realizează pe baza modelului simplificat al benzilor energetice al corpului solid. Conform acestui model, electronii atomului sunt plasaţi pe diferite nivele energetice, care pot fi grupate în benzi energetice.

1


Banda de valenţă. Există o bandă energetică în care toate nivelele energetice sunt ocupate de electroni. Această

bandă se numeste bandă de valenţă, iar electronii respectivi se numesc electroni de valenţă. În structura cristalină a materialului, aceşti electroni sunt legaţi prin legături covalente, fiind imobili.

Banda de conducţie. Electronul de conducţie.Banda energetică în care nivelele energetice au valorile cele mai mari se numeşte bandă de

conducţie. În această bandă, toate nivelele energetice sunt libere. Pentru ca un electron să poată ocupa un nivel energetic în benda de conducţie este necesar ca acesta să beneficieze de un aport energetic. Electronul care ocupă un nivel energetic din banda de conducţie se numeşte electron de conducţie.

Electronii de conducţie sunt liberi să se deplaseze prin structura cristalină a materialului. Aceşti electroni provin din electronii de valenţă care, pe baza aportului energetic provenit din exteriorul materialului, pot rupe legăturile covalente în care au fost iniţial fixaţi devenind electroni liberi. Datorită faptului că se pot deplasa, electronii de conducţie participă la generarea curentului electric prin structura unui material.

Apariţia unui curent electric în structura unui material presupune deplasarea orientată a unor purtători de sarcină electrică (în acest caz electronii) prin structura respectivă.

Diagrama benzilor energetice a materialelor electroniceTipul unui material electronic poate fi caracterizat de modul în care sunt dispuse benzile

energetice ale acestuia. Informaţiile despre dispunerea benzilor energetice sunt furnizate de către diagrama de benzi energetice a materialului respectiv.

În figura 2.a se prezintă diagrama benzilor energetice pentru materialele conductoare. Prin EC

s-a notat nivelul energetic inferior al benzii de conducţie, iar prin EV s-a notat nivelul energetic superior al benzii de valenţă. Se observă că, pentru materialele conductoare, cele două benzi energetice prezintă o suprapunere. În acest caz, conducţia curentului electric este asigurată de către un singur tip de purtători de sarcină electrică şi anume electronul de conducţie.

În figura 2.b se prezintă diagrama benzilor energetice pentru materialele izolatoare, respectiv semiconductoare. În acest caz, se remarcă faptul că banda de conducţie este izolată de banda de valenţă de o a 3a bandă energetică, numită bandă interzisă. Banda interzisă grupează nivele energetice care NU sunt permise electronilor; electronii nu pot ocupa nivelele energetice din această bandă. Diferenţa dintre materialele semiconductoare şi cele izolatoare este dată de lăţimea benzii interzise, notate EG, la materialele izolatoare fiind mult mai mare (5eV; eV=electron-volt) decât la cele semiconductoare (1,1eV).

În cazul în care, materialul izolator sau semiconductor este supus acţiunii unui agent exterior (câmp electric, magnetic, căldură, lumină), se poate furniza unora dintre electronii de valenţă energia necesară depăşirii benzii interzise astfel încât aceştia pot ajunge pe un nivel energetic superior, aflat în banda de conducţie. În consecinţă, printr-un aport energetic extern suficient de mare, aceşti electroni de valenţă devin electroni de conducţie, fiind liberi să se deplaseze prin structura cristalină a materialului.

2


Prin plecarea unui electron din banda de valenţă, se eliberează un loc pe un nivel energetic din banda de valenţă, care, în continuare, poate fi ocupat de un alt electron de valenţă, aflat pe un nivel energetic inferior în banda de valenţă. Locul liber, lasat prin plecarea unui electron de pe un nivel energetic al benzii de valenţă se numeşte gol.

La materialele semiconductoare şi izolatoare, fenomenele de conducţie ale curentului electric sunt generate de apariţia electronilor de conducţie şi a golurilor.

Figura 2.

3


2. Materiale semiconductoare

Sunt utilizate la obţinerea dispozitivelor semiconductoare: tranzistoare, diode, etc precum şi la realizarea circuitelor integrate.

2.1. Materiale semiconductoare intrinseci. Materialele semiconductoare intrinseci sunt materiale semiconductoare pure, la care atomii

din reţeaua cristalină sunt de un singur tip, din grupa aIVa a tabelului periodic al elementelor şi anume: Siliciul şi Germaniul. În prezent, cel mai utilizat element pentru obţinerea materialelor semiconductoare este siliciul, structura sa fiind prezentată în Figura 3.

Figura 3.

Revenind la diagrama benzilor energetice, la temperatura de 00K, electronii sunt plasaţi numai în banda de valenţă. Deoarece nu există electroni de conducţie (electroni liberi), în structura materialului semiconductor nu se generează curent electric.

La temperaturi mai mari de 00K, o parte a energiei termice este preluată de către electronii de valenţă, care, beneficiind de acest aport energetic, pot trece de nivelele energetice din banda interzisă şi ajunge pe nivelele energetice din banda de conducţie, devenind liberi să se deplaseze prin structura materialului.

Prin plecarea acestor electroni din banda de valenţă, locul ocupat iniţial de către aceştia pe nivelul energetic din banda de valenţă devine liber, altfel spus - gol. Acest gol poate fi ocupat de un alt electron de valenţă, fără un aport energetic substanţial. Acest al 2lea electron de valenţă, prin ocuparea nivelului energetic lăsat liber de primul electron, lasă la rândul lui un

nou loc liber, un nou gol, pe nivelul energetic ocupat în banda de valenţă. Se constată astfel, o

4

Figura 4.


deplasare a golurilor în banda de valenţă, motiv pentru care şi golul este un purtător de sarcină mobil. Acest fenomen este prezentat în Figura 4.

Acelaşi fenomen poate fi explicat pe baza structurii reţelei cristaline a atomului de siliciu. La temperatura de 00K, atomii de siliciu sunt legaţi prin legături covalente la care fiecare dintre aceştia participă cu câte 4 electroni de valenţă. La nivelul reţelei cristaline, electronii de valenţă pot căpăta suficientă energie astfel încât să rupă legăturile covalente în care au fost fixaţi. Prin ruperea legăturii covalente, electronii de valenţă devin liberi (devin electroni de conducţie) şi lasă în urmă, la nivelul atomului de unde au plecat un gol, caracterizat printr-un un exces de sarcină pozitivă la nivelul atomului respectiv. Din acest motiv, golul respectiv poate fi echivalat, din punct de vedere electric, cu o sarcină electrică pozitivă fictivă. În continuare, dacă un alt electron de valenţă rupe o legătură covalentă, devenind liber, poate ocupa golul lăsat de primul electron de valenţă. Acest fenomen este sugerat în Figura 5.

Figura 5.

Purtători mobili de sarcină electricăPurtătorii mobili de sarcină electrică în semiconductoare sunt electronii de conducţie şi

golurile. Deoarece aceştia sunt mobili, se pot deplasa prin structura semiconductorului. În cazul în care deplasarea purtătorilor de sarcină este orientată (nu este haotică), fenomen care se poate observa, de exemplu, în cazul în care se aplică asupra semiconductorului un câmp electric, prin structura semiconductorului se observă apariţia unor fenomene de conducţie electrică (fenomene legate de generarea curentului electric). În consecinţă, fenomenele de conducţie în materialele semiconductoare sunt generate pe baza electronilor de conducţie şi a golurilor.

Generarea purtătorilor mobili de sarcinăDin cele prezentate mai sus se constată că, într-un material semiconductor, purtătorii mobili

de sarcină (electroni de conducţie şi goluri) sunt generaţi prin ruperea legăturilor covalente. În plus, se constată că prin creşterea temperaturii, numărul de electroni de valenţă care capătă

suficientă energie pentru a rupe legăturile covalente, creşte. În concluzie, prin creşterea temperaturii, tot mai multe legături covalente se rup şi astfel sunt generaţi tot mai mulţi purtători mobili de sarcină.

Mecanismul de generare a purtătorilor mobili de sarcină în semiconductoare pe baza creşterii temperaturii se numeşte generare termică de purtători de sarcină.

5


Din fenomenele descrise mai sus s-a constatat că, prin ruperea legăturilor covalente, electronii de conducţie şi golurile sunt generaţi în perechi.

Deoarece electronii de conducţie şi golurile sunt generaţi în perechi, concentraţiile de purtători mobili de sarcină electrică într-un semiconductor intrinsec sunt egale. Concentraţiile de purtători mobili de sarcină electrică într-un semiconductor se notează astfel:

n = concentraţia de electroni de conducţie, p = concentraţia de goluri.

Valoarea comună a acestor concentraţii se numeşte concentraţie intrinsecă şi se notează cu ni. În concluzie, pentru un semiconductor intrinsec este valabilă relaţia:

(1)

Concentraţia intrinsecă creşte cu creşterea temperaturii semiconductorului. La temperatura camerei, considerată 3000K, ni are valoarea 1,451010cm-3 pentru siliciu, respectiv 21013cm-3, la germaniu. În Figura 6 se prezintă modul în care variază cu temperatura T concentraţia intrinsecă a unui material semiconductor din siliciu.

Figura 6.

Recombinarea purtătorilor de sarcinăÎn cadrul semiconductoarelor, pe lângă mecanismul de generare a purtătorilor de sarcină este

prezent şi mecanismul invers, care duce la dispariţia purtătorilor de sarcină. Mecanismul respectiv se numeşte recombinare de purtători de sarcină şi este caracterizat prin revenirea electronilor de pe un nivel energetic superior, din banda de conducţie, pe un nivel energetic inferior, în banda de valenţă.

Revenirea în banda de valenţă a unui electron de conducţie duce atât la dispariţia unui electron de conducţie cât şi a unui gol.

Deci, mecanismul de recombinare a purtătorilor de sarcină duce la dispariţia în perechi a acestora.

2.2. Doparea materialelor semiconductoare. Materiale semiconductoare extrinseci.

6


Fenomenul de dopare constă în introducerea în materialul semiconductor intrinsec, prin diverse procedee controlate, a unor atomi diferiţi faţă de cei din Si sau Ge, denumiţi şi atomi de impuritate, în scopul modificării proprietăţilor electrice ale materialului semiconductor. Un material semiconductor dopat cu atomi de impuritate se numeşte material semiconductor extrinsec. Condiţia necesară ca un material semiconductor să fie extrinsec este ca concentraţia de atomi de impuritate cu care este dopat materialul semiconductor intrinsec, notată Nimpurităţi să fie mult mai mare decât concentraţia intrinsecă ni:

(2)

Materialele semiconductoare extrinseci sunt utilizate pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare: circuite integrate, tranzistoare sau diode.

Atomii de impuritate cu care se dopează materialele semiconductoare intrinseci sunt atomi din grupele V, respectiv III, din care cei mai frecvent utilizaţi sunt cei prezentaţi în Figura 7.

În funcţie de atomii de impuritate cu care sunt dopate materialele semiconductoare intrinseci, materialele semiconductoare extrinseci se împart în 2 categorii:

materiale semiconductoare de tip N materiale semiconductoare de tip P

Figura 7.

Materiale semiconductoare de tip NPentru obţinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este dopat cu atomi de

impuritate pentavalenţi, (din grupa a Va a tabelului periodic al elementelor chimice), care, în structura cristalină a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Patru din cei cinci electroni de valenţă a atomului de impuritate formează 4 legături covalente cu electronii de valenţă ai atomilor de Siliciu sau Germaniu învecinaţi, în timp ce al 5lea electron de valenţă al atomului de impuritate este slab legat, astfel că la temperatura camerei primeşte suficientă energie pentru a se desprinde de atomul de impuritate, devenind astfel electron liber, sau electron de conducţie, capabil să participe la fenomenele de conducţie, aşa cum este prezentat şi în Figura 8.

7


Figura 8.

Se constată că formarea electronului de conducţie nu este însoţită de generarea unui gol.

Electronii de conducţie obţinuţi în acest mod sunt generaţi prin doparea materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obţinere a electronilor de conducţie, aceştia mai pot fi generaţi şi prin mecanismul de generare termică (prin creşterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui electron de conducţie este însoţită de generarea unui gol.

Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului semiconductor de tip N, concentraţia de electroni de conducţie este mult mai mare decît cea de goluri. Din acest motiv, electronii de conducţie se numesc purtători de sarcină majoritari, iar golurile se numesc purtători de sarcină minoritari.

Deoarece atomul de impuritate cedează acest al 5lea electron de valenţă, el se numeşte atom

donor. În urma cedării celui de al 5lea electron, atomul donor devine ion pozitiv (se reaminteşte că un atom este neutru dpdv electric; prin cedarea unui electron, atomul respectiv devine ion pozitiv, iar prin primirea unui electron, atomul respectiv devine ion negativ).

Materiale semiconductoare de tip PPentru obţinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este impurificat cu

atomi trivalenţi, (din grupa a IIIa a tabelului periodic al elementelor chimice), cum ar fi borul, galiul, indiul, care, în structura cristalină a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Atomul de impuritate poate participa, prin cei trei electroni de valenţă ai săi, la formarea numai a trei legături covalente cu electronii de valenţă ai atomilor de siliciu sau germaniu învecinaţi, lăsând electronul de valenţă al celui de-al 4lea atom de siliciu învecinat fără legătură covalentă, astfel creînd un gol la nivelul atomului de impuritate respectiv.

Electronul de valenţă al celui de-al 4lea atom de siliciu învecinat (în Figura 9, atomul de siliciu din dreapta) poate forma o legătură covalentă cu un alt electron de valenţă al unui alt atom de siliciu învecinat, care, prin completarea acestei legături covalente, lasă la rîndul său, în urma sa un gol.

8


Figura 9.

Se constată că formarea unui gol nu este însoţită de generarea unui electron de conducţie.

Golurile obţinute în acest mod sunt generate prin impurificarea materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obţinere a golurilor, acestea mai pot fi generate şi mecanismul prin generare termică (prin creşterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui gol nu este însoţită de generarea unui electron de conducţie.

Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului semiconductor de tip P, concentraţia de goluri este mult mai mare decît cea a electronilor de conducţie. Din acest motiv, golurile se numesc purtători de sarcină majoritari, iar electronii de conducţie se numesc purtători de sarcină minoritari.

Deoarece atomul de impuritate primeşte un electron de valenţă de la un atom de siliciu învecinat, el se numeşte atom acceptor. În urma primirii acestui electron, atomul acceptor devine ion negativ.

Bibliografie:

1. C. Oriţă, M. Derevlean, Materiale Electronice, Editura VIE, Iaşi 20012. D. Dascalu, Dispozitve si Circuite Electronice, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1982.

9

Documents

1.Materiale electronice