Materiale electronice

Materiale electronice

1. Tipuri de materiale electronice

Materialele electronice sunt utilizate pentru realizarea componentelor/dispozitivelor electronice. Aceste materiale au o structura cristalina in care atomii sunt legati intre ei prin intermediul unor legaturi covalente la care participa electronii de valenta ai atomilor din care este realizat materialul respectiv.

Din punct de vedere electric, materialele electronice se impart in trei mari categorii si anume:

Conductoare

Semiconductoare

Izolatoare

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

Figura 1.

Proprietatea care diferentiaza cele trei tipuri de materiale electronice este conductibilitatea electrica (proprietatea unui material de a permite trecerea curentului electric). Conductibilitatea electrica a materialelor este determinata de aparitia purtatorilor de sarcina electrica, in anumite conditii energetice si de deplasarea acestora in structura interna a materialului respectiv.

Descrierea purtatorilor de sarcina electrica se realizeaza pe baza modelului simplificat al benzilor energetice al corpului solid. Conform acestui model, electronii atomului sunt plasati pe diferite nivele energetice, care pot fi grupate in benzi energetice.

Banda de valenta

Exista o banda energetica in care toate nivelele energetice sunt ocupate de electroni. Aceasta banda se numeste banda de valenta, iar electronii respectivi se numesc electroni de valenta. In structura cristalina a materialului, acesti electroni sunt legati prin legaturi covalente, fiind imobili.

Banda de conductie. Electronul de conductie.

Banda energetica in care nivelele energetice au valorile cele mai mari se numeste banda de conductie. In aceasta banda, toate nivelele energetice sunt libere. Pentru ca un electron sa poata ocupa un nivel energetic in benda de conductie este necesar ca acesta sa beneficieze de un aport energetic. Electronul care ocupa un nivel energetic din banda de conductie se numeste electron de conductie.

Electronii de conductie sunt liberi sa se deplaseze prin structura cristalina a materialului. Acesti electroni provin din electronii de valenta care, pe baza aportului energetic provenit din exteriorul materialului, pot rupe legaturile covalente in care au fost initial fixati devenind electroni liberi. Datorita faptului ca se pot deplasa, electronii de conductie participa la generarea curentului electric prin structura unui material.

Diagrama benzilor energetice a materialelor electronice

Tipul unui material electronic poate fi caracterizat de modul in care sunt dispuse benzile energetice ale acestuia. Informatiile despre dispunerea benzilor energetice sunt furnizate de catre diagrama de benzi energetice a materialului respectiv.    

In figura 2.a se prezinta diagrama benzilor energetice pentru materialele conductoare. Prin E_C s-a notat nivelul energetic inferior al benzii de conductie, iar prin E_V s-a notat nivelul energetic superior al benzii de valenta. Se observa ca, pentru materialele conductoare, cele doua benzi energetice prezinta o suprapunere. In acest caz, conductia curentului electric este asigurata de catre un singur tip de purtatori de sarcina electrica si anume electronul de conductie.

In figura 2.b se prezinta diagrama benzilor energetice pentru materialele izolatoare, respectiv semiconductoare. In acest caz, se remarca faptul ca banda de conductie este izolata de banda de valenta de o a 3a banda energetica, numita banda interzisa. Banda interzisa grupeaza nivele energetice care NU sunt permise electronilor; electronii nu pot ocupa nivelele energetice din aceasta banda. Diferenta dintre materialele semiconductoare si cele izolatoare este data de latimea benzii interzise, notate E_G, la materialele izolatoare fiind mult mai mare ( 5eV; eV=electron-volt) decat la cele semiconductoare ( 1,1eV).

In cazul in care, materialul izolator sau semiconductor este supus actiunii unui agent exterior (camp electric, magnetic, caldura, lumina), se poate furniza unora dintre electronii de valenta energia necesara depasirii benzii interzise astfel incat acestia pot ajunge pe un nivel energetic superior, aflat in banda de conductie. In consecinta, printr-un aport energetic extern suficient de mare, acesti electroni de valenta devin electroni de conductie, fiind liberi sa se deplaseze prin structura cristalina a materialului.

Prin plecarea unui electron din banda de valenta, se elibereaza un loc pe un nivel energetic din banda de valenta, care, in continuare, poate fi ocupat de un alt electron de valenta, aflat pe un nivel energetic inferior in banda de valenta. Locul liber, lasat prin plecarea unui electron de pe un nivel energetic al benzii de valenta se numeste gol.

La materialele semiconductoare si izolatoare, fenomenele de conductie ale curentului electric sunt generate de aparitia electronilor de conductie si a golurilor.

Figura 2.

2. Materiale semiconductoare

Sunt utilizate la obtinerea dispozitivelor semiconductoare: tranzistoare, diode, etc precum si la realizarea circuitelor integrate.

2.1. Materiale semiconductoare intrinseci.

Materialele semiconductoare intrinseci sunt materiale semiconductoare pure, la care atomii din reteaua cristalina sunt de un singur tip, din grupa aIVa a tabelului periodic al elementelor si anume: Siliciul si Germaniul. In prezent, cel mai utilizat element pentru obtinerea materialelor semiconductoare este siliciul, structura sa fiind prezentata in Figura 3.

Figura 3.

Revenind la diagrama benzilor energetice, la temperatura de 0⁰K, electronii sunt plasati numai in banda de valenta. Deoarece nu exista electroni de conductie (electroni liberi), in structura materialului semiconductor nu se genereaza curent electric.

La temperaturi mai mari de 0⁰K, o parte a energiei termice este preluata de catre electronii de valenta, care, beneficiind de acest aport energetic, pot trece de nivelele energetice din banda interzisa si ajunge pe nivelele energetice din banda de conductie, devenind liberi sa se deplaseze prin structura materialului.

Figura 4.

Prin plecarea acestor electroni din banda de valenta, locul ocupat initial de catre acestia pe nivelul energetic din banda de valenta devine liber, altfel spus - gol. Acest gol poate fi ocupat de un alt electron de valenta, fara un aport energetic substantial. Acest al 2lea electron de valenta, prin ocuparea nivelului energetic lasat liber de primul electron, lasa la randul lui un nou loc liber, un nou gol, pe nivelul energetic ocupat in banda de valenta. Se constata astfel, o deplasare a golurilor in banda de valenta, motiv pentru care si golul este un purtator de sarcina mobil. Acest fenomen este prezentat in Figura 4.

Acelasi fenomen poate fi explicat pe baza structurii retelei cristaline a atomului de siliciu. La temperatura de 0⁰K, atomii de siliciu sunt legati prin legaturi covalente la care fiecare dintre acestia participa cu cate 4 electroni de valenta. La nivelul retelei cristaline, electronii de valenta pot capata suficienta energie astfel incat sa rupa legaturile covalente in care au fost fixati. Prin ruperea legaturii covalente, electronii de valenta devin liberi (devin electroni de conductie) si lasa in urma, la nivelul atomului de unde au plecat un gol, caracterizat printr-un un exces de sarcina pozitiva la nivelul atomului respectiv. Din acest motiv, golul respectiv poate fi echivalat, din punct de vedere electric, cu o sarcina electrica pozitiva fictiva. In continuare, daca un alt electron de valenta rupe o legatura covalenta, devenind liber, poate ocupa golul lasat de primul electron de valenta. Acest fenomen este sugerat in Figura 5.

Figura 5.

Purtatori mobili de sarcina electrica

Purtatorii mobili de sarcina electrica in semiconductoare sunt electronii de conductie si golurile. Deoarece acestia sunt mobili, se pot deplasa prin structura semiconductorului. In cazul in care deplasarea purtatorilor de sarcina este orientata (nu este haotica), fenomen care se poate observa, de exemplu, in cazul in care se aplica asupra semiconductorului un camp electric, prin structura semiconductorului se observa aparitia unor fenomene de conductie electrica (fenomene legate de generarea curentului electric). In consecinta, fenomenele de conductie in materialele semiconductoare sunt generate pe baza electronilor de conductie si a golurilor.

Generarea purtatorilor mobili de sarcina

Din cele prezentate mai sus se constata ca, intr-un material semiconductor, purtatorii mobili de sarcina (electroni de conductie si goluri) sunt generati prin ruperea legaturilor covalente.

In plus, se constata ca prin cresterea temperaturii, numarul de electroni de valenta care capata suficienta energie pentru a rupe legaturile covalente, creste. In concluzie, prin cresterea temperaturii, tot mai multe legaturi covalente se rup si astfel sunt generati tot mai multi purtatori mobili de sarcina.

Mecanismul de generare a purtatorilor mobili de sarcina in semiconductoare pe baza cresterii temperaturii se numeste generare termica de purtatori de sarcina.

Din fenomenele descrise mai sus s-a constatat ca, prin ruperea legaturilor covalente, electronii de conductie si golurile sunt generati in perechi.

Deoarece electronii de conductie si golurile sunt generati in perechi, concentratiile de purtatori mobili de sarcina electrica intr-un semiconductor intrinsec sunt egale. Concentratiile de purtatori mobili de sarcina electrica intr-un semiconductor se noteaza astfel:

n = concentratia de electroni de conductie,

p = concentratia de goluri.

Valoarea comuna a acestor concentratii se numeste concentratie intrinseca si se noteaza cu n_i. In concluzie, pentru un semiconductor intrinsec este valabila relatia:

(1)

Concentratia intrinseca creste cu cresterea temperaturii semiconductorului. La temperatura camerei, considerata 300⁰K, n_i are valoarea 1,45 10¹⁰cm^-3 pentru siliciu, respectiv 2 10¹³cm^-3, la germaniu. In Figura 6 se prezinta modul in care variaza cu temperatura T concentratia intrinseca a unui material semiconductor din siliciu.

Figura 6.

Recombinarea purtatorilor de sarcina

In cadrul semiconductoarelor, pe langa mecanismul de generare a purtatorilor de sarcina este prezent si mecanismul invers, care duce la disparitia purtatorilor de sarcina. Mecanismul respectiv se numeste recombinare de purtatori de sarcina si este caracterizat prin revenirea electronilor de pe un nivel energetic superior, din banda de conductie, pe un nivel energetic inferior, in banda de valenta.

Revenirea in banda de valenta a unui electron de conductie duce atat la disparitia unui electron de conductie cat si a unui gol.

Deci, mecanismul de recombinare a purtatorilor de sarcina duce la disparitia in perechi a acestora.

2.2. Doparea materialelor semiconductoare. Materiale semiconductoare extrinseci.

Fenomenul de dopare consta in introducerea in materialul semiconductor intrinsec, prin diverse procedee controlate, a unor atomi diferiti fata de cei din Si sau Ge, denumiti si atomi de impuritate, in scopul modificarii proprietatilor electrice ale materialului semiconductor. Un material semiconductor dopat cu atomi de impuritate se numeste material semiconductor extrinsec. Conditia necesara ca un material semiconductor sa fie extrinsec este ca concentratia de atomi de impuritate cu care este dopat materialul semiconductor intrinsec, notata N_impuritati sa fie mult mai mare decat concentratia intrinseca n_i:

(2)

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

Atomii de impuritate cu care se dopeaza materialele semiconductoare intrinseci sunt atomi din grupele V, respectiv III, din care cei mai frecvent utilizati sunt cei prezentati in Figura 7.

In functie de atomii de impuritate cu care sunt dopate materialele semiconductoare intrinseci, materialele semiconductoare extrinseci se impart in 2 categorii:

Ø      materiale semiconductoare de tip N

Ø      materiale semiconductoare de tip P

Figura 7.

Materiale semiconductoare de tip N

Pentru obtinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este dopat cu atomi de impuritate pentavalenti, (din grupa a Va a tabelului periodic al elementelor chimice), care, in structura cristalina a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Patru din cei cinci electroni de valenta a atomului de impuritate formeaza 4 legaturi covalente cu electronii de valenta ai atomilor de Siliciu sau Germaniu invecinati, in timp ce al 5lea electron de valenta al atomului de impuritate este slab legat, astfel ca la temperatura camerei primeste suficienta energie pentru a se desprinde de atomul de impuritate, devenind astfel electron liber, sau electron de conductie, capabil sa participe la fenomenele de conductie, asa cum este prezentat si in Figura 8.

Figura 8.

Se constata ca formarea electronului de conductie nu este insotita de generarea unui gol.

Electronii de conductie obtinuti in acest mod sunt generati prin doparea materialului cu atomii de impuritate. Pe langa acest procedeu de obtinere a electronilor de conductie, acestia mai pot fi generati si prin mecanismul de generare termica (prin cresterea temperaturii), dar, in acest caz, generarea unui electron de conductie este insotita de generarea unui gol.

Din cele prezentate mai sus, se constata ca, in cazul materialului semiconductor de tip N, concentratia de electroni de conductie este mult mai mare decit cea de goluri. Din acest motiv, electronii de conductie se numesc purtatori de sarcina majoritari, iar golurile se numesc purtatori de sarcina minoritari.

Deoarece atomul de impuritate cedeaza acest al 5lea electron de valenta, el se numeste atom donor. In urma cedarii celui de al 5lea electron, atomul donor devine ion pozitiv (se reaminteste ca 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 P

Pentru obtinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este impurificat cu atomi trivalenti, (din grupa a IIIa a tabelului periodic al elementelor chimice), cum ar fi borul, galiul, indiul, care, in structura cristalina a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Atomul de impuritate poate participa, prin cei trei electroni de valenta ai sai, la formarea numai a trei legaturi covalente cu electronii de valenta ai atomilor de siliciu sau germaniu invecinati, lasand electronul de valenta al celui de-al 4lea atom de siliciu invecinat fara legatura covalenta, astfel creind un gol la nivelul atomului de impuritate respectiv.

Electronul de valenta al celui de-al 4lea atom de siliciu invecinat (in Figura 9, atomul de siliciu din dreapta) poate forma o legatura covalenta cu un alt electron de valenta al unui alt atom de siliciu invecinat, care, prin completarea acestei legaturi covalente, lasa la rindul sau, in urma sa un gol.

Figura 9.

Se constata ca formarea unui gol nu este insotita de generarea unui electron de conductie.

Golurile obtinute in acest mod sunt generate prin impurificarea materialului cu atomii de impuritate. Pe langa acest procedeu de obtinere a golurilor, acestea mai pot fi generate si mecanismul prin generare termica (prin cresterea temperaturii), dar, in acest caz, generarea unui gol nu este insotita de generarea unui electron de conductie.

Din cele prezentate mai sus, se constata ca, in cazul materialului semiconductor de tip P, concentratia de goluri este mult mai mare decit cea a electronilor de conductie. Din acest motiv, golurile se numesc purtatori de sarcina majoritari, iar electronii de conductie se numesc purtatori de sarcina minoritari.

Deoarece atomul de impuritate primeste un electron de valenta de la un atom de siliciu invecinat, el se numeste atom acceptor. In urma primirii acestui electron, atomul acceptor devine ion negativ.

Bibliografie:

1. C. Orita, M. Derevlean, Materiale Electronice, Editura VIE, Iasi 2001

2. D. Dascalu, Dispozitve si Circuite Electronice, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1982.