Notiuni de fizica semiconductoarelor

Notiuni de fizica semiconductoarelor

1.1. Structura cristalina

Formarea fazei solide    a materiei este determinata de aparitia unor forte de interactiune intre particulele structurale atunci cand acestea sunt apropiate le distante destul de mici. Pentru a forma o structura stabila a corpului solid este necesar ca intre particule sa actioneze atat forte de atractie cat si de respingere.

In functie de natura particulelor se disting patru tipuri de forte care asigura legatura cristalina si anume:

legatura Van der Vals;

legatura ionica;

legatura covalenta;

legatura metalica.

In cele ce urmeaza vom prezenta legatura covalenta, legatura specifica elementelor din grupa a IV (Si, Ge) care sunt elemente pure.

Cele mai utilizate materiale semiconductoare sunt siliciul (Si) care are si cea mai mare pondere in realizarea dispozitivelor electronice, germaniul (Ge), galiu-arsen (GaAs), indiu-fosfor (InP).

Rezistivitatea electrica a semiconductoarelor este in gama 10^-1 Wcm, fiind mai mare ca a metalelor, dar mai mica ca a izolatoarelor.

Proprietatile remarcabile ale materialelor semiconductoare se obtin numai printr-o ordonare cat mai perfecta a atomilor in volumul materialului, ordine cunoscuta sub numele de monocristal.

Semiconductorul pur din punct de vedere chimic poarta denumirea de semiconductor intrinsec. Reteaua cristalina a principalelor materiale semiconductoare este de tip diamant. In aceasta retea fiecare atom se invecineaza cu patru atomi uniform distribuiti in spatiul reprezentat simbolic (bidimensional) din figura 1.1.

Deoarece concentratiile de purtatori n si p sunt egale in semiconductorul intrinsec, acesta isi gaseste putine aplicatii.

Realizarea dispozitivelor electronice impune obtinerea unor semiconductoare care sa aiba in exces fie goluri (p) fie electroni (n). Pentru obtinerea acestora in reteaua cristalina se introduce controlat o anumita cantitate de impuritati, adica de atomi diferiti de cei care formeaza reteaua cristalina. Semiconductoarele astfel obtinute poarta denumirea de semiconductoare extrinseci.

In functie de valenta atomilor de impurificare se obtin semiconductoare de tip n si semiconductoare de tip p.

Semiconductori de tip n se obtin prin impurificarea cu elemente pentavalente ( fosfor, arsen, stibiu) numite si donoare.(figura1.2.). Purtatorii de sarcina generati prin impurificare poarta denumirea de purtatori de sarcina majoritari.

Din cei cinci electroni de valenta ai stibiului patru realizeaza legaturi covalente cu atomii de siliciu vecini, iar al cincilea ramane liber, la temperatura normala.

In cazul acestor semiconductori, conductia este determinata in special de electronii proveniti din banda de conductie de pe nivelele donoare.

Semiconductori de tip p se obtin prin impurificarea cu elemente trivalente (bor, indiu, galiu, aluminiu) numite si acceptoare. (figura 1.3.).

Difuzia purtatorilor de sarcina in semiconductori

In semiconductor este posibila realizarea unor zone cu concentratii diferite de purtatori de atomi de dopare.

Analog fenomenelor de la gaze, purtatorii de sarcina vor difuza spre zonele mai sarace, aparand curentul numit de difuzie. Prin conventie sensul pozitiv este sensul de deplasare a golurilor.

Difuzia sarcinilor determina aglomerarea sarcinilor in zonele mai sarace, si deci aparitia unui camp electric care la randul lui genereaza un curent electric de camp ( sau curent de conductie). Acesta are sens contrar curentului de difuzie, iar echilibrul semiconductorului se obtine la egalitatea celor doi curenti. (figura 1.4.) .

1.2. Procese fizice in jonctiunea p-n

Jonctiunea p-n reprezinta un material semiconductor, separat in doua regiuni sau straturi, unul de tip p, celalalt de tip n, separate printr-o suprafata de separatie. In functie de modul de variatie a concentratiei impuritatilor jonctiunile se clasifica in:

jonctiuni p-n abrupte

jonctiuni p-n gradate.

Realizarea fizica a unei jonctiuni p-n se bazeaza pe metodele de impurificari controlate dintre care mai importante sunt:

a) Metoda de aliere - utilizata in special la germaniu (Ge). Pe pastila de germaniu se dispune o bucata de indiu, iar apoi se supune unui proces termic.

b) Metoda difuziei - utilizata mai ales la siliciu (Si). Suportul semiconductor de siliciu se incalzeste in prezenta impuritatilor care sub forma vaporilor patrund in cristal,    prin difuzie obtinandu-se o jonctiune gradata.

c) Metoda cresterii epitaxiale care consta din depunerea din faza gazoasa a unui strat semiconductor care pastreaza orientarea retelei cristaline a semiconductorului initial. Comportarea specifica unei jonctiuni p-n poate aparea si la contactul dintre un material semiconductor si un metal.

Datorita diferentei de concentratie de purtatori de sarcina intre cele doua zone va aparea un proces de difuzie a purtatorilor majoritari, avand ca rezultat aparitia unor portiuni de sarcina spatiala in vecinatatea planului de separatie care devin sarace in purtatori de sarcina mobili. Sarcina spatiala fixa consta in goluri in zona n, respectiv electroni in zona p.

Latimea totala de sarcina spatiala depinde de concentratiile de atomi donori respectiv acceptori din regiunile respective.

Intre cele doua sarcini spatiale apare un camp electric, care opune in calea sarcinilor care difuzeaza o bariera de potential U₀ (tensiune de bariera). Acest camp electric se opune difuziei in continuare a purtatorilor majoritari dar favorizeaza circulatia purtatorilor minoritari. (figura 1.6)

unde: U₀ - tensiune de bariera (tensiune de prag)

U_T - tensiune termica

unde: K - constanta lui Boltzman

T- temperatura absoluta (⁰K) 27⁰C 300⁰K

e - sarcina electronului ()

In cazul jonctiunii nepolarizate exista relatiile: T

Intr-o jonctiune nepolarizata curentul total este zero.

Polarizarea directa

Polarizarea directa a jonctiunii pn consta in alimentarea cu tensiune a acesteia astfel incat semiconductorul de tip p sa fie la un potential mai pozitiv decat n (figura 1.7.)

Aplicarea unei polarizari directe duce la micsorarea campului electric intern (sensul tensiunii aplicate fiind contrar sensului campului intern la echilibrul termic). Aceasta duce la micsorarea curentilor de camp si marirea curentilor de difuzie, aparand astfel prin jonctiune un curent direct mare.

La polarizarea directa bariera de potential se reduce cu tensiunea de polarizare directa . In acest caz regiunea de trecere scade: .

Polarizarea inversa

Polarizarea inversa consta in alimentarea cu tensiune a jonctiunii astfel incat semiconductorul p sa fie la un potential mai negativ decat n. (figura 1.8.)

Aplicarea tensiunii de polarizare duce la cresterea campului electric intern ceea ce conduce la anularea echilibrului curentilor de difuzie si de camp. Curentul electric prin jonctiune este numai curentul datorat purtatorilor minoritari, avand deci o valoare foarte scazuta. Acest curent poarta denumirea de curent invers si este direct influientat de procesul de formare a perechilor electron gol, adica de temperatura.

La cresterea tensiunii invers aplicate peste o anumita valoare, curentul poate creste la valori mari marcand strapungerea jonctiunii.

Analizand cele doua cazuri rezulta proprietatea jonctiunii pn de a conduce unidirectional.

Capacitatea de difuzie este capacitatea echivalenta datorata sarcinilor care au fost injectate in urma polarizarii directe sau inverse.

Capacitatea de bariera este capacitatea datorata ionilor din zona de trecere

Pentru se poate considera mica deci ramane ;

Pentru se poate considera C_d mica deci ramane C_b .

Strapungerea jonctiunii pn

Strapungerea jonctiunii pn poate fi explicata pe baza a trei mecanisme principale:

strapungerea termica

strapungere de tip Zener sau prin efect de tunelare

strapungere prin avalansa

Strapungerea termica daca tensiunea inversa este suficient de mare atunci curentul invers poate provoca incalzirea semiconductorului, ceea ce determina cresterea curentului invers si deci cresterea puterii disipate.

Se genereaza astfel un proces cumulativ care duce in final la strapungerea jonctiunii. Strapungerea jonctiunii cu Ge are loc la tensiuni si temperaturi mai mici decat a jonctiunii cu Si.

Prin efect Zener sau tunelare care apare la jonctiunile puternic impurificate. Zona de trecere fiind ingusta campul electric este foarte puternic. Fortele exercitate asupra sarcinilor electrice sunt suficient de mari pentru a rupe legatura covalenta, rezultand sarcini libere pentru conductie. Acest fenomen apare chear si la tensiuni inverse de valoare scazuta.

3. Strapungerea in avalanse apare la jonctiunile slab impurificate cu zona larga de trecere. Odata cu cresterea tensiunii inverse sarcinile primesc energie suficient de mare prin cresterea vitezei lor, astfel incat ciocnirea cu un electron de valenta sa-l poata disloca pe acesta din legatura covalenta, prin ciocniri repetate aparand procesul de multiplicare in avalansa.

Dependenta curent tensiune a jonctiunii pn este data de ecuatia:

In cazul polarizarii inverse:

In cazul polarizarii directe, daca

In cazul in care temperatura se modifica, se modifica atat tensiunea pe dioda cat si curentul invers.

Se defineste coeficientul de temperatura:

Variatia curentului invers este data de relatia:

unde

Caracteristica curent - tensiune a jonctiunii pn

Liniarizari posibile ale jonctiunii pn

a) Se utilizeaza in electronica de putere cand tensiunile din circuit sunt mult mai mari decat tensiunea in sens direct pe jonctiune. Circuitul echivalent unui contact inchis - deschis.

b) Circuitul echivalent cu un contact inchis deschis si o sursa de tensiune si o sursa de tensiune continua U_D se utilizeaza in cazul in care schema foloseste tensiuni comparabile cu U_d0 dar rezistentele din schema sunt mult mai mari decat rezistenta diodei.

c) Se numeste rezistenta dinamica a diodei cotangenta unghiului pe care il formeaza tangenta la curba cu axa U_D.