CLASIFICAREA MATERIALELOR ELECTROTEHNICE DUPA STRUCTURA BENZILOR DE ENERGIE

CLASIFICAREA MATERIALELOR ELECTROTEHNICE DUPA STRUCTURA BENZILOR DE ENERGIE

Pentru a caracteriza diferitele specii de materiale este suficient sa se considere la T=0 K ultima zona de energii permise si ocupata cu electroni - zona de valenta (BV) si prima zona de energii permise, dar libera de electroni - zona de conductie (BC).

Diferenta energetica dintre banda de conductie si banda de valenta se numeste banda interzisa (E_g). E_g este energia pe care trebuie sa o aiba un electron de valenta pentru a putea face saltul din banda de valenta in cea de conductie. O data ajuns in banda de conductie, electronul este liber sa se deplaseze prin tot materialul si nu mai este legat de nici unul dintre atomi.

Fig. 3.1 Banda de valenta, banda de conductie si banda interzisa.

Nivelul limita Fermi (E_F) reprezinta cel mai inalt nivel de energie pe care il pot atinge electronii din banda de valenta, prin salturi cuantice, dupa care revin in banda de valenta. Saltul cuantic reprezinta trecerea electronului de pe un nivel inferior de energie pe unul superior, atunci cand atomului sau cristalului i se transmite energie din exterior.

In Fig. 3.2 - 3.4 sunt reprezentate diagramele de energie aferente izolatoarelor, semiconductoarelor si conductoarelor.

(a) (b) (c)

Fig. 3.2 Diagramele de energie pentru materialele conductoare.

In cazul materialelor conductoare sunt posibile 3 situatii:

(a). banda de conductie se suprapune peste banda de valenta;

(b). nivelul limita Fermi este situat in banda de conductie;

(c). largimea benzii interzise este comparabila cu diferenta dintre 2 nivele de energii permise din BV.

In materialele conductoare exista totdeauna un mare numar de electroni liberi, in mod natural (in absenta unor factori externi). Electronii liberi, care se gasesc in banda de conductie, pot fi pusi in miscare dirijata (curent electric) pentru campuri electrice oricat de slabe.

Fig. 3. 3 Benzile de energie pentru materialele izolatoare.

Materialele izolatoare au banda interzisa foarte mare. Electronii lor de valenta nu fac saltul spre banda de conductie decat in conditii de strapungere, daca li se aplica tensiuni extrem de mari.

Fig. 3. 4 Benzile de energie pentru materialele semiconductoare.

Semiconductoarele au banda interzisa mult mai ingusta decat in cazul izolatoarelor. Desi la temperatura de 0 K nu sunt posibile salturi cuantice ale electronilor din BV in BC, la temperaturi mai mari (T> 0 K), unii dintre electronii lor de valenta pot sa faca saltul spre banda de conductie, devenind electroni liberi.

Deci, banda energetica interzisa poate fi traversata daca electronii sunt excitati prin captarea unor energii cedate materialului prin incalzire, iradiere cu lungimi de unda convenabile, etc.

EXPLICATIA FIZICA A ACESTOR FENOMENE

Toate substantele sunt formate din atomi. Acestia determina proprietatile electrice ale unei substante, inclusiv capacitatea de a conduce curentul electric.

Pentru simplificarea explicarii proprietatilor electrice, vom reprezenta atomul ca fiind alcatuit din patura de valenta si o parte centrala, formata din paturile interioare si nucleu.

Aceasta reprezentare este ilustrata in Fig. 3.5 pentru un atom de carbon. Carbonul intra in componenta multor tipuri de rezistoare electrice.

Atomul de carbon are patru electroni in patura de valenta (L) si doi electroni in cea interioara (K):

C (Z=6): 1s², 2s², 2p²

Nucleul este format din sase protoni si sase neutroni, deci +6 simbolizeaza sarcina pozitiva a celor sase protoni. Partea centrala are sarcina rezultanta +4 (+6 de la nucleu si -2 de la cei doi electroni ai paturii interioare).

Fig. 3.5 Reprezentarea atomului de carbon considerat ca fiind format dintr-o parte centrala si o patura de valenta.

Materialele conductoare

Conductoarele sunt materiale care conduc usor curentul electric. Cele mai bune conductoare sunt cele care contin un singur element, cum sunt cuprul, argintul, aurul si aluminiul. Atomii acestor elemente au un singur electron de valenta, legat foarte slab de atomul propriu. Acesti electroni de valenta slab legati se pot desprinde usor din atomi, devenind electroni liberi. Prin urmare, materialele conductoare prezinta multi electroni liberi, care, atunci cand se deplaseaza in aceeasi directie, formeaza un curent electric.

Materialele izolatoare   

Izolatoarele sunt materialele care, in conditii normale, nu conduc curentul electric. Majoritatea izolatoarelor bune sunt compusi chimici, nu materiale monoelement. Electronii lor de valenta sunt strans legati de atomi, deci in izolatoare se gasesc foarte putini electroni liberi.

Materialele semiconductoare

Semiconductoarele sunt materiale cu proprietati intermediare intre conductoare si izolatoare, din punctul de vedere al capacitatii lor de a conduce curentul electric. Un semiconductor in stare pura (intrinsec) nu este nici bun conductor, nici bun izolator. Cele mai raspandite materiale semiconductoare monoelement sunt siliciul, germaniul si carbonul. Se folosesc curent si compusi semiconductori, ca arseniura de galiu (GaAs). Semiconductoarele monoelement au caracteristic atomii cu patru electroni de valenta.

Comparatie intre atomii conductoarelor si cei ai semiconductoarelor

In continuare se vor analiza cateva dintre cauzele fundamentale care confera siliciului proprietati semiconductoare, iar cuprului, conductoare.

Diagramele atomilor de siliciu si de cupru sunt prezentate in Fig. 3.6.

Fig. 3.6 Diagramele atomilor de siliciu si cupru.

Se observa ca partea centrala a atomului de siliciu are sarcina rezultanta +4 (14 protoni -10 electroni), iar cea a cuprului este +1 (29 de protoni -28 de electroni).

Deci, electronul de valenta al cuprului "resimte" o forta de atractie de +1, fata de cel al cuprului, care "resimte" o forta de atractie de +4. Asadar forta care cauta sa mentina un electron de valenta in atomul de siliciu este de patru ori mai mare decat la cupru.

Electronul de valenta al cuprului se afla in patura a patra, adica la o distanta mai mare fata de nucleu decat electronii de valenta ai siliciului, situati in patura a treia (electronii mai departati de nucleu au energie mai mare).

Prin urmare, in cazul cuprului, electronul de valenta suporta o forta de mentinere in atom mai mica decat in cazul siliciului. De asemenea, la cupru, electronul de valenta are energie mai mare decat la siliciu.

Aceasta inseamna ca electronii de valenta ai cuprului pot acumula mai usor cantitatea de energie suplimentara necesara pentru a-i desprinde din atomi, transformandu-i in electroni liberi, decat in cazul siliciului. De fapt, un mare numar de electroni de valenta ai cuprului poseda oricum destula energie pentru a deveni electroni liberi.

Siliciul si germaniul

Structura atomilor de siliciu si germaniu este prezentata in Fig. 3.7. Siliciul este materialul cel mai utilizat pentru realizarea diodelor, a tranzistoarelor, a circuitelor integrate si a altor dispozitive semiconductoare. Atat siliciul, cat si germaniul prezinta cei patru electroni de valenta caracteristici.

Fig. 3.7 Structura atomilor de siliciu si germaniu.

Electronii de valenta ai germaniului se afla in patura a patra, pe cand cei ai siliciului sunt situati in patura a treia, mai aproape de nucleu. Aceasta inseamna ca electronii de valenta ai germaniului poseda energii mai mari decat cei ai siliciului, deci le este necesar un surplus energetic mai mic pentru a se desprinde din atom.

Aceasta caracteristica face ca germaniul sa devina instabil la temperaturi ridicate - motivul principal pentru care siliciul este materialul semiconductor cel mai larg utilizat.

INTREBARI RECAPITULATIVE:

1. Care este principala diferenta dintre conductoare si izolatoare?
2. Prin ce se deosebesc semiconductoarele de conductoare si izolatoare?
3. Cati electroni de valenta are atomul unui conductor cum este cuprul?
4. Cati electroni de valenta au atomii semiconductoarelor?
5. Numiti trei dintre cele mai bune materiale conductoare.
6. Care este materialul semiconductor cel mai larg utilizat?
7. De ce semiconductoarele au mai putini electroni liberi decat conductoarele?