Notiunea de semiconductor. Jonctiunea p-n

Notiunea de semiconductor. Jonctiunea p-n

Din punct de vedere al conductibilitatii materiale se impart in conductoare, semiconductoare si izolatoare. Asemanarea fundamentala intre cele trei categorii consta in faptul ca toate au structura interna bazata pe atomi, constituiti la randul lor din nucleu si electroni. Cu cat orbitele electronilor sunt mai departe de nucleu, fortele de legatura cu acesta sunt mai slabe si astfel electronii pot fi indepartati mai usor prin aplicarea unei energii exterioare. Electronii de pe ultimul strat (orbita) se numesc electroni de valenta. In Fig.4.1. sunt prezentate diagramele energetice ale celor trei categorii de materiale.

Fig.4.1. Diagrama energetica a materialelor: conductoare (a); semiconductoare (b); izolatoare (c)

Prin aplicarea unei energii exterioare un numar de electroni din banda de valenta (BV) pot fi smulsi devenind electroni liberi. Sub actiunea unui camp electric exterior care ii dirijeaza ei formeaza curentul electric, trecand in banda de conductie (BC). Daca energia exterioara aplicata unui semiconductor este mai mica decat pragul necesar trecerii in BC, electronii de valenta trec in asa numita banda interzisa (BI) dupa care ei revin inapoi in BV.

Semiconductoarele sunt materiale care stau la baza realizarii componentelor active (ex: diode, tranzistoare, etc.). La acestea, spre deosebire de conductoare si izolatoare, conductibilitatea depinde foarte mult de temperatura, iluminare sau de impurificarea cu materiale sau cu atomi straini.

Materialele semiconductoare uzuale sunt germaniu si siliciu, ambele facand parte din grupa a VI-a, avand deci 4 electroni de valenta pe ultima orbita.

Semiconductorul pur, la rece, se comporta ca un izolator. Electronii de valenta fiind bine fixati asigurand legaturile dintre atomi. Ca urmare nu exista purtatori de sarcina (electroni au goluri) liberi.

Fig.4.2. Semiconductor pur

Semiconductorul de tip N consta dintr-un semiconductor pur in a carui retea cristalina s-au introdus atomi cu 5 electroni de valenta din grupa a V-a (ex: Arseniu As). Patru legaturi de valenta ai arseniului asigura legaturile cu atomii vecini ai semiconductorului iar cel de-al 5-lea ramanand slab legat de atomul sau devine disponibil (liber) si chiar la temperaturi obisnuite poate capata o miscare libera. Acesti atomi capabili sa produca electroni liberi se numesc donori.

Semiconductorul de tip P se obtine prin dotarea semiconductorului pur cu atomi din grupa a III-a , cu 3 electroni de valenta (ex: Iridiu Ir).

Fig.4.3. Semiconductoare extrinseci: de tip N (a); de tip P (b)

In acest caz una din legaturile retelei ramane nesatisfacuta, astfel incat daca un electron dintr-o legatura vecina primeste o cantitate foarte mica de energie (prin agitare termica) el poate completa legatura lipsa lasand in urma sa un gol. Golul format poate fi completat la randul sau de un electron vecin care isi paraseste propria legatura lasand un alt loc gol. Cu alte cuvinte, un atom bivalent a dat nastere unui gol mobil in semiconductor. Acesti atomi care pot capta electroni se numesc atomi acceptori. Concluzionand, semiconductorul de tip N contine sarcini negative in exces (electroni), iar semiconductorul de tip P sarcini pozitive in exces (goluri) care se pot deplasa prin reteaua cristalina a semiconductorului sub influenta unor cauze energetice aplicate din exterior (caldura, lumina, forta electromotoare, etc).

Dotarea semiconductoarelor pure se poate face prin diverse procedee tehnologice ca: alierea, difuzia, implantarea ionica etc. Daca intr-un cristal semiconductor se creeaza prin dotare (impurificare) doua zone vecine, una de tip P si alta de tip N se spune ca s-a obtinut o jonctiune P-N. Aceasta jonctiune nu se poate obtine printr-o simpla alipire a doua regiuni impurificate de tip P si respectiv N, deoarece metodele tehnologice actuale de alipire fac ca distanta dintre cele doua regiuni sa fie foarte mare (distanta interatomica la Si si Ge are ordinul de marime 10^-10 m). In aceste conditii fenomenele de trecere dintr-o zona in alta a purtatorilor de sarcina ar fi impiedicat, cele doua regiuni ramanand astfel izolate. In situatia cand jonctiunii P-N nu i se aplica nici o tensiune, golurile din zona P vor difuza in zona N, iar electronii din zona N difuzeaza in zona P. Golurile care trec in zona N se vor combina cu o parte a electronilor majoritari din aceasta zona, iar electronii care trec in zona P se recombina cu o parte a golurilor care sunt purtatori majoritari in aceasta zona. Datorita plecarii golurilor din zona P raman atomi acceptori necompensati care sunt incarcati negativ iar prin plecarea electronilor din zona N, raman atomi donori necompensati care sunt incarcati pozitiv.

Fig.4.4. Jonctiunea P-N nepolarizata

Intre zona N si zona P ia nastere un camp electric indreptat de la zona pozitiva din N spre zona negativa din P. Acest camp actioneaza ca o bariera asupra purtatorilor majoritari impiedicandu-i sa mai inainteze. Acest strat se mai numeste si strat de bariera (zona de bariera). Valoarea diferentei de potential dintre cele doua zone ale stratului de bariera este de (0,2 0,3) V pentru germaniu si de (0,550,7) V pentru siliciu. In consecinta in cazul jonctiunii P-N libere (nepolarizat) dupa o miscare initiala de purtatori majoritari se realizeaza un echilibru electric, in care jonctiunea prezinta 2 zone (de tip P si de tip N) separate printr-o zona (strat) de bariera situata de o parte si de alta a suprafetei de separatie, caracterizata printr-un anumit potential de bariera specific tipului de semiconductor folosit.

Daca la extremitatile jonctiunii P-N se aplica o sursa exterioara de tensiune, cu borna negativa pe regiunea P si cu borna pozitiva pe regiunea N atunci electronii sunt atrasi de borna pozitiva iar golurile de borna negativa a barierei.

Fig.4.5. Jonctiunea P-N polarizata: invers (a); direct (b)

Stratul de bariera se largeste si jonctiunea este blocata. Se spune ca jonctiunea P-N este polarizata invers. Cu toate ca jonctiunea P-N este polarizata invers apare totusi un curent de valoare foarte mica I_inv datorat deplasarii golurilor din regiunea N spre regiunea P, respectiv electronilor din P spre N. Acest curent se numeste curent invers. Daca la extremitatile jonctiunii P-N se aplica o sursa exterioara de tensiune, cu borna pozitiva pe regiunea P si cu cea negativa pe regiunea N se spune ca jonctiunea P-N este polarizata direct. Campul electric datorat sursei fiind de sens contrar potentialului de bariera, golurile din zona P vor migra spre borna negativa iar electroni din zona N spre cea pozitiva astfel ca prin circuitul exterior se va inchide un curent I_dir numit curent direct.

Stratul de bariera al jonctiunii P-N, lipsit de purtatori de sarcina mobili, se comporta ca un izolator perfect ceea ce permite definirea unei capacitatii electrice, numita capacitate de bariera (C_b):

(4.1)

unde:-permitivitatea electrica a materialului semiconductorului; S - suprafata jonctiunii; - grosimea stratului de bariera.