A. Caracteristicile de bază a semiconductoarelor.
În funcţie de valoarea lui lărgimea benzii interzise(Eg), de gradul de ocupare cu electroni a benzii de conducţie BC, rezistivitate şi alte proprietăţi corpurile solide se pot împărţi în 3 mari grupe: conductoare (metale), izolatoare şi semiconductoare. Semiconductoarele sunt materiale de bază pentru fabricarea dispozitivelor şi a circuitelor integrate, cât şi a nanocristalelor.
Un câmp electric poate schimba rezistivitatea semiconductorilor. Dispozitivele fabricate din materiale semiconductoare sunt baza electronicii moderne, fiind părţi componente în radiouri, computere, telefoane şi multe altele. Dispozitivele semiconductoare sunt: tranzistorul, celulele solare, mai multe tipuri de diode, inclusiv dioda luminiscentă şi circuite integrate. Panourile solare fotovoltaice sunt dispozitive semiconductoare care transformă energia luminii în energie electrică. Într-un conductor metalic, curentul este reprezentat de fluxul de electronii. Într-un semiconductor curentul este reprezentat fie de fluxul de electroni fie de fluxul de “goluri” din structura electronică a materialului.

Transportul curentului în semiconductor este asigurat de 2 tipuri de purtători: electroni şi goluri.
a) Electronul de conducţie (e-) folosit în modelare are aceeaşi sarcină ca şi electronul obişnuit ( ), dar o masă efectivă diferită de masa electronului aflat în stare de repaus .
Specific cristalelor semiconductoare este faptul că la conducţie participă nu numai electronii liberi (de conducţie), ci şi electronii de valenţă care sunt legaţi de atomii din reţea. Datorită distanţei foarte mici dintre atomii unei reţele cristaline, fiecare electron de valenţă al unui atom formează o pereche cu un electron de valenţă din atomul vecin stabilind o legătură covalentă.
Formarea electronilor de conducţie şi a golurilor
În momentul în care electronul de valenţă primeşte o energie cel puţin egală cu energia de activare (Eg), legătura covalentă se va rupe şi el va deveni electron de conducţie. Astfel în urma lui va lăsa o legătură covalentă nesatisfăcută, care este modelată cu ajutorul unei particule numită gol.
b) Golurile sunt nişte particule fictive cu sarcină pozitivă ( ) şi masă efectivă ( ), care se deplasează prin cristal şi contribuie ca şi electronii liberi la conducţia electrică.
Sub acţiunea unui câmp electric exterior, golurile formate în urma ruperii legăturii covalente, pot fi ocupate de electronii de valenţă ai atomilor vecini care la rândul lor vor lăsa în urmă alt gol. Prin urmare are loc o deplasare a electronilor legaţi (de valenţă) într-un sens şi a golului în sens contrar.
Cel mai adesea se folosesc combinaţii de metale din aceleaşi perioade ale grupelor III-a şi a V-a. Dintre acestea, semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obţinute atât din amestecuri ale elementelor grupelor IIa şi VIa (Zinc şi Seleniu – ZnSe) cât şi din amestecuri de trei sau patru elemente.
La temperatura de 0K, electronii sunt aşezaţi în legăturile covalente formate între atomii semiconductorului intrinsec.
Odată cu creşterea temperaturii unii electroni se rup din legături fiind liberi să circule în tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar în locul electronului plecat rămâne un gol. Imediat el se ocupă cu un alt electron alăturat, golul se deplasează o pozitie. Daca aplicăm un câmp electric în semiconductor, electronii liberi se vor mişca în sens invers câmpului, dar şi golurile vor forma un curent pozitiv de acelaşi sens cu câmpul.
Cel mai interesant fenomen îl reprezintă modificarea spectaculoasă a rezistivităţii electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel, dacă din 105 atomi de Siliciu unul este înlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori!!! Impurificare reprezintă o problemă specifică şi fundamentală a fizicii şi tehnologiei semiconductorilor.
Dacă impurificăm Germaniul (grupa IVa, patru electroni de valenţă) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de valenţă) vom obţine un amestec cu un electron de valenţă liber. Această impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul său de energie este mai aproape de zona de conducţie. Dacă impurificarea este făcută cu atomi din grupa a 3-a (trei electroni de valenţă), acesta se va integra în reţeaua cristalină cu doar trei legături covalente, rămânând, deci, un gol capabil de a captura electroni în jurul atomului trivalent. Din această cauză atomii acestui tip de impurităţi au primit numele de acceptori. Într-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde numele de semiconductor de tip p. Joncţiunile p – n sunt ansambluri formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de separare, interfaţa, are marimi de ordinul 10-4 cm. La suprafaţa semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafaţa semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinţa de compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celălalt.
Semiconductori intrinseci
Dispozitivele semiconductoare sunt realizate cu elemente din grupa a IV-a datorita faptului ca legatura dintre atomi este covalenta (legatura chimica care se realizeaza prin punerea în comun a electronilor de valenta a 2 atomi învecinati). Dintre elementele grupei se utilizeaza cu precadere Siliciul si apoi Germaniul.
Caracteristic elementelor semiconductoare este faptul ca energia electronilor se gaseste pe nivele energetice situate în benzi.
Banda de valenta BV contine nivele energetice ale electronilor de energie mica, electroni care sunt prinsi în legaturi covalente. Energia maxima a benzii de valenta se noteaza Wv.
Electronii care au posibilitatea sa se deplaseze în spatiul interatomic (electronii liberi) au energii situate pe nivele energetice corespunzatoare benzii de conductie BC. Energia minima a benzii de conductie se noteaza Wc.
Între cele doua benzi permise (BC si BI) se afla banda interzisa BI, (vezi figura 1.6) a carei latime energetica ”W = Wc – Wv, este o constanta de material fiind specifica naturii semiconductorului – spre exemplu Semiconductori realizati din Si au latimea benzii interzise 1,12 eV [2].
Un electron cu energia Wv , pentru a se desprinde din legatura covalenta, ca sa devina electron liber, trebuie sa primeasca pe o cale oarecare (spre exemplu prin impuls, adica prin ciocnirea cu un electron de viteza mai mare) o energie suplimentara de cel putin ”W. În aceste conditii energia electronului va depasi BI si va trece pe un nivel din interiorul BC – electronul este liber. Parasirea legaturii covalente de electronul care a primit suficienta energie determina o legatura covalenta nesatisfacuta în structura semiconductorului numita gol.
Semiconductori extrinseci
Semiconductorul extrinsec este format dintr-un material semiconductor intrinsec în structura caruia s-au introdus elemente din grupa a III-a (Bo, Al, s.a.) sau din grupa a V-a (P, As, St, s.a.). Concentratiile de elemente straine, voit introduse, sunt foarte mici (1012…1018 atomi/cm3) în raport cu numarul atomilor semiconductorului ( 1022 atomi) motiv pentru care sunt numite impuritati [8].
Semiconductorul de tip N este realizat prin introducerea de elemente din grupa a V-a ceea ce conduce la prinderea în legaturi covalente a 4 electroni ai impuritatii cu atomii semiconductorului de baza ramânând un electron foarte slab legat de atomul de impuritate, care electron la temperatura camerei este electron liber (are energia în BC). Impuritatile din grupa a V-a sunt donoare (de electroni) si introduc un nivel energetic apropiat de banda de conductie Wc notat Wn
Semiconductorii intrinseci se numesc de tip P si de tip N dupa semnul sarcinii purtatorilor majoritari, respectiv golurile de sarcina pozitiva (pentru P) si electronii de sarcina negativa (pentru N).
Nivelul Fermi WF, este acel nivel energetic sub care se gaseste energia tuturor electronilor unui solid în conditiile în care temperatura acestuia este de zero grade Kelvin.
Densitati de curent în semiconductori
Curentul electric de conductie este definit prin miscarea ordonata a purtatorilor de sarcina printr-o suprafata data.
În general, daca nu actioneaza nici o forta curentul este zero.
Curentul electric de conductie apare în conditiile în care asupra purtatorilor de sarcina actioneaza o forta (electrica sau de difuzie) care sa orienteze vitezele
purtatorilor catre suprafata în cauza, ca în figura 1.10a.
Forta electrica este datorata prezentei unui câmp electric de intensitate E în semiconductor.
Valoarea fortei electrice cu care actioneaza câmpul electric de intensitate E asupra unui purtator de sarcina qe este
Forta de difuzie este acea forta care apare datorita neuniformitatii de concentratie a purtatorilor în diferite zone ale semiconductorului fiind proportionala cu gradientul concentratiei
Jonctiunea p-n la echilibru termodinamic
Jonctiunea PN este linia care separa doua zone semiconductoare diferite – una de tipul P si cealalta de tipul N – care au fost puse în contact. La echilibru termodinamic temperatura este constanta si nu exista schimb de energie cu exteriorul. Datorita faptului ca în zona P avem multe goluri, în conditiile în care se pune în contact cu N, apare fenomenul de difuzie care determina transferul de goluri din zona P în zona N. La fel se pune problema pentru electronii din zona N, asa încât plecând golurile de la suprafata semiconductorului de tip P aceasta zona este saracita în purtatori si plecând electroni de la suprafata semiconductorului din zona N aceasta este saracita în sarcini negative
Polarizarea jonctiunii P-N
Polarizarea jonctiunii P-N consta în aplicarea din exterior a unei surse de tensiune electromotoare cu bornele sursei pe zonele neutre ale semiconductorului.
Daca borna pozitiva a sursei se aplica pe zona P polarizarea este directa, iar când pe zona P se aplica borna negativa polarizarea este inversa.
În cazul polarizarii directe a jonctiunii t.e.m. EAA determina aparitia unui câmp electric notat EA care este de sens invers câmpului electric intern notat E0. Rezulta ca valoarea câmpului electric care actioneaza asupra purtatorilor se micsoreaza, ceea ce înseamna ca o parte din purtatori vor traversa datorita fortei de difuzie zona de golire. Golurile din zona P vor ajunge în zona N pâna la o distanta Lp = lp + ”p (vezi figura 1.16), numita lungime medie de difuzie a golurilor si definita drept acea distanta pe care o parcurge un golul pâna la recombinarea cu un electron.
Circuite echivalente ale jonctiunii P-N în regim static
Un circuit echivalent este un circuit realizat cu elemente pasive si surse comandate sau necomandate, care poate înlocui dispozitivul semiconductor fara ca regimul de tensiuni si curenti sa se modifice în exteriorul dispozitivului. Altfel spus aplicând un semnal la intrarea dispozitivului si acelasi semnal la intrarea circuitului echivalent cele doua raspunsuri vor fi identice, pentru un anumit domeniu al semnalului de intrare sau pentru tot domeniul permis.
În figura 1.23 a) este prezentata caracteristica statica sub forma grafica a dispozitivului numit dioda semiconductoare (jonctiunea PN), al carui simbol si model matematic sunt reluate în 1.23b.
Pornind de la caracteristica statica se pot realiza scheme echivalente pentru diferite domenii de functionare al caror raspuns sa fie suficient de aproape de raspunsul real.
Redresorul monofazat monoalternanta
Redresorul din figura 1.33 este monofazat pentru ca se alimenteaza cu o singura tensiune
este monoalternanta pentru ca având un singur element neliniar de circuit, si anume dioda D, poate prelucra o singura alternanta a tensiunii de intrare vi (ca în figura 1.5) si este cu sarcina rezistiva pentru ca la iesire se afla rezistorul RS .Dioda semiconductoare este modelata prin rezistenta interna În circuitul avem un singur curent, circuitul fiind neramificatValoarea de curent continuu este valoarea medie a curentuluiDin reteaua de curent alternativ circuitul absoarbe numai putere activa (pentru ca nu contine decât rezistoare, ceea ce înseamna ca defazajul j dintre tensiune si curent este nul)
redresor monofazat bialternanta
Circuitele de redresare monofazate bialternanta sunt realizate în doua variante:
- cu transformator cu priza mediana,
- cu diode în punte
Transformatorul TR în fiecare alternanta a tensiunii din primar induce în fiecare sectiune a secundarului o tensiune de aceeasi polaritate cu tensiunea de intrare.
Stabilizatorul parametric (cu dioda Zener)
Stabilizatoarele de tensiune continua sunt circuite electronice care au rolul de a mentine constanta tensiunea pe sarcina în conditiile în care se modifica valoarea tensiunii de intrare Vi, curentul absorbit de sarcina IL sau temperatura mediului ambiant de functionare al circuitului
Stabilizatorul se bazeaza pe caracteristice statica a diodei Zener.
Tensiunea de stabilizare (se modifica cu temperatura

APLICAŢII :
LASER-ul cu semiconductori. Aprecieri teoretice
Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor III-a si V-a. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc si Seleniu -; ZnSe) cat si din amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele doua sunt mai ades folosite pentru emisia unor radiatii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de unda. Sistemul de excitare este constituit din doua straturi de semiconductori, unul de tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine aceste doua notiuni trebuie amintite cateva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, in special principiul semiconductorilor.
Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice. Rezistivitatea electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi (10-2 -; 108 W cm). Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrica este data de electronii proprii, numita si conductibilitate intrinseca, iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinseca. Conductibilitatea intrinseca poate fi explicata pe scurt astfel. La 0K, electronii sunt asezati in legaturile covalente formate intre atomii semiconductorului intrinsec. Odata cu cresterea temperaturii unii electroni se rup din legaturi fiind liberi sa circule in tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un gol. Imediat el se ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o pozitie. Daca aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi se vor misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent pozitiv de acelasi sens cu campul. Cel mai interesant fenomen il reprezinta modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel, daca din 105 atomi de Siliciu unul este inlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori !!! Impurificare reprezinta o problema specifica si fundamentala a fizicii si tehnologiei semiconductorilor. Daca impurificam Germaniul (grupa IV-a, patru electroni de valenta) cu un element din grupa a V-a (cinci electroni de valenta) vom obtine un amestec cu un electron de valenta liber. Aceasta impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul sau de energie este mai aproape de zona de conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din grupa a 3-a (trei electroni de valenta), acesta se va integra in reteaua cristalina cu doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil de a captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p -; n sunt

2 “Tranzistoare”
Regiune centrală are conductibilitate opusă faţă de cele de la extremităţi şi se numeşte Bază. Pe suprafeţele fiecărui regiuni se depune câte un strat metalic de contact pe care se sudează firele de conexiune. Acest tranzistor are două joncţiuni.

“Tranzistoare”
1) Joncţiunea Emitorului : între bază şi colector
2) Joncţiunea Colectorului: între bază şi emitor

“Tranzistoare”
Joncţiunea C este polarizată direct cu o tensiune de ordinul zecimilor de volţi iar joncţiunea E este polarizată invers cu o tensiune de ordinul volţilor sau zecilor de volţi.

“Tranzistoare”
B) Funcţionarea tranzistoarelor în regim normal activ în conexiunea cu bază comună.

- Ansamblul format din cele trei joncţiuni reprezintă două diode semiconductoare conectate în opoziţie şi cu o regiune comună. Pentru ca un tranzistor să nu se manifeste ca două diode trebuie ca între ele să se realizeze u cuplaj, acest cuplaj are rolul de a transfera purtătorii de sarcină de la o regiune la alta. Acest transfer se realizează numai dacă baza este suficient de subţire. Transferul se numeşte EFECT DE TRANZISTOR .

- Fenomenul de polarizare: este similar la ambele tipuri de tranzistoare cu diferenţa că rolul golurilor şi al electronilor este inversat.

FUNŢIONAREA TRANZISTORULUI P.N.P.

Joncţiunea E-B fiind polarizată direct curentul care circulă prin joncţiune este determinat de purtătorii majoritari de sarcină (goluri) apare astfel un CURENT DE DIFUZIE al golurilor din E în B (Ipe).

Aceste goluri devin în regiunea B purtători minoritari în exces, deoarece B este foarte subţire numai un număr mic de goluri injectate de emitor se va recombina cu electronii majoritari din B, înlocuirea electronilor dispăruţi prin recombinare se face printr-un transport de electroni de la sursa de polarizare prin firul de conexiune al B. Acest transport de electroni formează curentul de recombinare.

Golurile provenite din E rămase nerecombinate difuzează până în aproprierea joncţiunii C care este polarizată invers. Câmpul astfel creat favorizează trecerea purtătorilor minoritari.

În funcţionarea tranzistorului E generează goluri pe care C le strânge. B are rolul de contro asupra curentului de C.

Pentru a reduce pierderea de goluri în B datorită recombinărilor pe lângă o îngustare a lăţimii B aceasta se dopează şi cu un număr mic de impurităţi decât E şi C astfel în B va fi un număr mai mic de electroni din această cauză curentul de electroni majoritari care circulă numai prin joncţiunea E are o valoare mult mai mare decât curentul de E.

Joncţiunea C polarizată invers este străbatută atât de golurile provenite din E şi rămase nerecombinate în B cât şi de curenţii de câmp daţi de purtătorii minoritari generaţi pe cale termică.

ICB0- este un curent rezidual care reprezintă curentul de C şi B când E este în gol, adică el nu injectează purtători de B

Diode semiconductoare
Cele mai des folosite diode semiconductoare sunt diode le redresoare .
Ele funcţionează datorita proprietăţii de a se comporta diferit la tensiuni de polarizare directe şi tensiuni de polarizare inverse.
Astfel la tensiuni de polarizare directe rezistenţa directă este foarte mică iar la polarizarea inversă rezistenţa inversă este foarte mare.
Datorită acestei proprietăţi ca la aplicarea unei tensiuni alternative ele funcţionează pe alternanţa pozitivă conducând un curent mare (de ordinul mA sau A).
Pe alternanţa negativă se vor bloca lăsând să treacă curenţi foarte mici de ordinul mA sau mA care pot fi neglijaţi.
Acest proces de transformare a unui semnal alternativ într-un semnal continuu poarta numele de REDRESARE .
Aceste diode sunt folosite la construcţia redresoarelor care lucrează cu semnale mari şi frecvenţe mici (50Hz )
Se pot realiza atât din germaniu cât şi din siliciu – cele cu siliciu au următoarele avantaje faţă de cele cu germaniu:
1.Curentul invers este mult mai mic.
2.Tensiunea de străpungere este mult mai mare
3.Temperatura maximă de lucru de 190 grade faţă de 90 grade la germaniu
Dezavantaj- se consideră tensiunea de deschidere puţin mai mare.
Performanţele unei diode redresoare sunt caracteristice prin 2 mărimi limită care nu trebuie depăşite în timpul funcţionării :
Intensitatea maximă a curentului direct
Tensiunea inversă maximă.
DIODA ZENER
Este o diodă stabilizatoare de tensiune. Funcţionarea ei se bazează pe proprietatea joncţiunii p-n de a avea in regiunea de străpungere o tensiune la borne constantă într-o gamă largă de variaţie a curentului invers.
Dioda funcţionează intr-un regim de străpungere controlat în care atât curentul cât şi puterea disipată sunt menţinute la valori pe care dioda le poate suporta în regim permanent fără să se distrugă.
Dioda zener este construită din siliciu
când este polarizată direct (+ pe anod şi – pe catod) funcţionează ca o diodă cu joncţiune.
când este polarizată invers (- pe anod şi + pe catod) funcţionează în regim de străpungere.
Dioda cu contact punctiform
Este folosită pentru frecvenţe înalte. Este alcătuită din:
o capsulă de sticlă străbătută de 2 electrozi metalici. La capătul unui electrod se găseşte un monocristal de germaniu (semiconductor de tip n). Celălalt electrod se continuă cu un conductor de wolfram care vine în contact cu monocristalul.
Dacă se trece un impuls de curent scurt dar puternic la contactul dintre conductori şi monocristal în interiorul acestuia din urmă se formează o regiune de tip p .
Apare astfel o joncţiune de tip p-n de suprafaţă foarte mică, cu o capacitate foarte mică ( < 1pF )
Datorită acestei joncţiuni dioda funcţionează la frecvenţe foarte înalte. Acest tip de diodă poate fi folosit ca detector, schimbător de frecvenţă sau ca diodă de comutaţie.
Dioda VARICAP
Sunt diode cu joncţiune care funcţionează în regim de polarizare invers până la valoarea de străpungere .
Aceste diode utilizează proprietatea joncţiunii p-n de a se comporta ca o capacitate ce depinde de tensiunea continuă de polarizare inversă (acesta este capacitatea de barieră).
Această posibilitate de a varia o capacitate într-un circuit prin varierea unei surse de polarizare este necesară în circuitele de schimbare a frecvenţei. Circuitele de reglaj automat al frecvenţei precum şi modulaţia frecvenţei.
Diodele varicap au capacităţi de ordinul pF sau zecilor de pF şi se construiesc din siliciu pentru a avea o rezistenţă internă mai mare în polarizarea inversă.
În acest fel ele pot fi asimilate cu un condensator cu pierderi neglijabile.