Un material semiconductor are o valoare a conductivității electrice care se încadrează între cea a unui conductor și a unui izolator. Rezistența lor scade odată cu creșterea temperaturii, comportament opus metalelor. Proprietățile conductive pot fi modificate în moduri utile prin dopare, adică introducerea deliberată a impurităților în structura cristalină. În cazul în care există două regiuni dopate diferit în același cristal, se creează o joncțiune semiconductoare. Dispozitivele semiconductoare pot avea o serie de provinții utile, cum ar fi trecerea curentului mai ușor într-o direcție decât în cealaltă, care poate prezenta rezistență variabilă și sensibilitate la lumină sau căldură.
Fenomenul de bază: purtătorii în semiconductori
Conductivitatea siliciului este mărită prin adăugarea unei cantități mici de atomi pentavalenți (antimoniu, fosfor sau arsen) sau trivalenți (bor, galiu, indiu) - aproximativ o parte în 10^8. Înțelegerea modernă a proprietăților unui semiconductor se bazează pe fizica cuantică pentru a explica mișcarea purtătoarelor de sarcină într-o rețea de cristal. Dopajul mărește numărul de purtători de sarcină din cristal. Atunci când un semiconductor dopat conține găuri libere, în cea mai mare parte, se numește tipul p; în timp ce când acesta conține mai mulți electroni liberi, este cunoscut sub numele de tip n. Materialele semiconductoare utilizate în dispozitivele electronice sunt dopate în condiții precise pentru a controla concentrația și regiunile dopanților de tip p și n.
Deși unele elemente pure și mulți compuși prezintă proprietăți semiconductoare, siliciul, germaniul și compușii de galiu sunt cele mai utilizate pe scară largă în dispozitivele electronice. Unele proprietăți ale materialelor semiconductoare au fost observate încă din mijlocul secolului al XIX-lea și în primele decade ale secolului XX. Prima aplicație practică a semiconductorilor în electronică a fost dezvoltarea în 1904 a detectorului mustațe de pisică, o diodă semiconductoare primitivă folosită pe scară largă în receptoarele radio timpurii.
Starea electronică și dinamica purtătorilor
Se poate afirma că semiconductoarele, în starea lor naturală, sunt conductori săraci, deoarece un curent necesită flux de electroni, iar benzile de valență sunt pline, împiedicând intrarea electronilor noi. Există multiple tehnici dezvoltate pentru a face ca materialele semiconductoare să se comporte ca materiale de conducție, cum ar fi dopajul sau efectul de câmp. Aceste modificări au două rezultate principale: tip n și tip p, referindu-se la excesul sau lipsa electronilor, respectiv.
Heterojoncțiunile apar atunci când două materiale semiconductoare dopate diferit sunt unite. De exemplu, germaniu dopat p și n poate crea o joncțiune utilă la nivel de dispozitiv. Transferul are loc până la echilibru prin procesul numit recombinare, care determină ca electronii migratori de la tipul n să intre în contact cu găurile migratorii de la tipul p. Electronii excitați pot provoca o diferență de potențial electric, generând situații de neechilibru și introducând electroni și găuri în sistem în procesul de difuzie ambipolară. Ori de câte ori echilibrul termic este perturbat, numărul de găuri și electroni se modifică. Aceasta poate apărea ca răspuns la o diferență de temperatură sau la absorbția de fotoni, care pot crea electroni și găuri.
În anumite semiconductoare, electronii excitați se pot relaxa prin emiterea de lumină, în loc să genereze doar căldură. Emisia de lumină este o proprietate utilizată în LED-uri și alte diode optoelectronice. În termeni de distribuție a stărilor, nivelul Fermi marchează poziția în raport cu benzile de conducție și valență, iar distribuția Fermi-Dirac descrie probabilitatea ocupării stărilor. Semiconductoarele sunt definiți prin comportamentul lor electric, situat între conductori și Izolatori, iar diferențele între materiale pot fi înțelese în termeniile stărilor cuantice ale electronilor, fiecare condiționând posibilitatea ocupării stărilor din banda de conducție sau de valență.
Calculul purtătorilor: electroni, goluri și masele eficiente
Conductivitatea apare datorită prezenței electronilor în stări delocalizate; pentru a transporta curentul, o stare trebuie să fie parțial umplută. O bandă de valență complet plină este inertă, iar scoaterea unui electron creează o gaura care poate migra ca purtător pozitiv. Această gaură, împreună cu masa efectivă a electronilor din vârful benzii de valență, formează o particulă încărcată pozitiv, care răspunde câmpurilor electrice și magnetice de asemenea ca în vid, cu masa efectivă pozitivă. În metale există multe stări pline parțial, iar nivelul Fermi este în interiorul sau în apropierea benzilor; în Izolatori nivelurile Fermi se află în interiorul benzilor cu puține stări energetice ocupate. În schimb, un semiconductorn pur nu este un izolator bun, dar poate avea conductivitatea mărită prin dopaj și blocare cu câmpuri electrice, ceea ce îl face util în aplicații variate. Semi-izolatoarele, deși au decalaj de bandă larg, pot fi dopate pentru a deveni la fel de utile ca semiconductoarele.
Umplerea parțială a stărilor de la baza benzii de conducție poate fi înțeleasă ca adăugarea de electroni în banda respectivă. Concentrația reală a electronilor este, în general, foarte diluată, astfel încât electronii din banda de conducție pot fi considerați ca un gaz ideal clasic. Relația de dispersie în majoritatea semiconductoarelor este parabolică, astfel încât electronii răspund la câmpuri electrice și magnetice similar cu comportamentul lor în vid, dar cu mase efective diferite. O gaură în banda de valență are o probabilitate de întâlnire cu electronii, ceea ce permite curentului să fie generat sau să se modifice prin recombinare. Generarea de perechi electron-gură are loc când radiațiile ionizante lovesc un semiconductor, excitând un electron și lăsând o gaură; aceste perechi pot recombina sau pot rămâne în echilibru în anumite stări.
Dopajul și tipurile de purtători
Conductivitatea semiconductorilor poate fi ușor modificată prin doparea rețelei cristaline. Procesul de adăugare a impurităților controlate la un semiconductor este cunoscut sub numele de dopaj. Cantitatea de impuritate sau dopant adăugată modifică conductivitatea, iar semiconductorii dopati sunt numiți extrinseci. Un specimen de metal sau semiconductor de 1 cm3 conține aproximativ 10^22 atomi; în metal, fiecare atom poate furniza cel puțin un electron liber, în timp ce germaniul pur la 20°C conține aproximativ 2,5×10^13 electroni liberi și tot atâția de găuri. Materialele alese ca dopanți adecvați depind de proprietățile atomice ale dopantului și ale materialului ce urmează a fi dopat. În general, dopanții care produc modificările dorite sunt clasificați ca acceptori (pentru a crea goluri, tip p) sau donori (pentru a furniza electroni liberi, tip n). Denumirile de tip n și tip p indică purtătorul majoritar de sarcină în material. De exemplu, siliciul pur are patru electroni de valență, iar dopanții cei mai frecvenți în siliciu sunt elementele din grupele III și V ale tabelului periodic. Elementele din grupa III acționează ca acceptori dacă sunt folosite pentru doparea siliciului, înlocuind un atom de siliciu și creând o gaură mobilă. Elementele din grupa V acționează ca donatori, înlocuind un atom de siliciu și adăugând un electron liber.
Heterojoncțiunile apar atunci când două materiale semiconductoare dopate diferit sunt unite, permițând schimbul de electroni și găuri între regiunile dopate diferit. Electronii excitați pot provoca o diferență de potențial care duce la divertikit de curent; recombinarea oferă echilibru în sistem. În cazul generării de perechi electron-gură, numărul de perechi în starea de echilibru la o anumită temperatură este determinat de mecanica cuantică statistică. În absența unui câmp electric semnificativ sau a generației externe de perechi, probabilitatea de întâlnire între purtătorii de tip n și tip p rămâne în echilibru, iar curentul este influențat de acești purtători prin combinația de bandă completă, gaură și masa efectivă.
Concluzie conceptuală
În semiconductori, purtătorii de sarcină - electronii liberi și găurile - sunt motorul principal al conducerii electrice. Dopajul controlează numărul de purtători, distribuția spațială a regiunilor de tip p și n, și, în final, funcționarea dispozitivelor semiconductoare precum diode, tranzistori și inventari de spectrul optoelectronic. Marele avantaj al semiconductoarelor este capacitatea de a modifica conductivitatea în funcție de dopaj și de a confecționa joncțiuni PN pentru crearea dispozitivelor cu comportament variabil în funcție de direcția curentului, lumină sau temperatură.
Semiconductori, izolatori și conductori, Introducere de bază, Semiconductori de tip N vs. tip P
| Element dopant | Rol | Exemplu de grup | Tip (P/N) |
|---|---|---|---|
| Fosfor | Donor (electron liber) | Grupa V | N |
| Bor | Acceptori (gaură) | Grupa III | P |
tags: #cine #sunt #purtatorii #de #sarcina #intr0un
Postări populare:
- rețete de cozonac fără zahăr și sare
- Viziune de ansamblu a serviciilor rezidențiale la Centru maternal Dumbrava
- Topul jocurilor cu mașini pentru condus și sarcini captivante
- Experiențe ale pacienților la Spitalul Nord Muntenia Pitești
- Puncte de interes pentru medicii pediatri din Reghin: cabinete și localizări