Semiconductori

Pana in acest moment am vazut ca exista materiale conductoare si materiale izolatoare. Un curent electric din zona 1 - 400.000V este oprit cu succes de un material izolator bun si condus eficient de un material conductor bun. Totusi realizarile tehnologice de zeci de ani incoace au demonstrat cu prisosinta ca avem nevoie si de un al treilea gen de materiale: semiconductoarele, adica acele materiale care in anumite conditii permit trecerea curentului electric prin ele (deci se comporta ca niste conductoare) iar in alte conditii impiedica trecerea curentului electric (comportandu-se ca niste izolatoare).

Este foarte important sa avem o baza a intelgerii semiconductorilor deoarece din ele deriva intreaga electronica ce sta la baza existentei oricarei arhitecturi de calcul din prezent, de la cel mai simplu calculator de buzunar, un aparat de ras, un telefon mobil pana la procesoarele din interiorul instalatiilor industriale sau al calculatoarelor de proces.

Un material semiconductor este alcatuit din atomi legati prin legaturi COVALENTE, deci nu metalice. Ceea ce inseamna ca electronii de valenta din structura unui material semiconductor nu formeaza nori de electroni liberi, ci sunt tinuti in loc de legaturile covalente dintre atomii care ii impart. Elementele cele mai utilizate in constructia semiconductorilor sunt Ge (germaniul) si Si (Siliciul).




Pentru a incepe sa se deplaseze ordonat prin structura materialului generand electricitate la nivel de circuit, asupra electronilor din legaturile covalente de Ge sau de Si trebuie aplicat un stimul energetic care sa poata rupe legaturile covalente in care au fost initial fixati (ca si electroni localizati), transformandu-i in electroni capabili sa circule prin structura materialului (electroni delocalizati sau electroni liberi). Acest stimul poate fi un camp electric extern, radiatii cu particule sau radiatii electromagnetice.

Cele doua stari energetice ale electronului (localizata si delocalizata) din interiorul unui semiconductor au fost in mod sugestiv numite "banda de valenta" si "banda de conductie".




La o temperatura suficient de ridicata, banda de conductie se populeaza spontan. La temperatura camerei, acest lucru se intampla mai greu si aproape fara exceptie, in conductoarele obisnuite necesita aplicarea unei tensiuni initiale pe o anumita durata de timp.

Prin contrast, un izolator electric este orice material prin care curentul electric nu circula deoarece conexiunile structurale dintre atomi pe de-o parte nu sunt de natura metalica sau ionica (sunt doar covalente), iar electronii pur si simplu nu pot trece din banda de valenta in banda de conductie deoarece saltul energetic cerut ca sa se realizeze trecerea de pe o banda pe alta este foarte mare (benzile sunt extrem de distantate una de alta si este nevoie de foarta multa energie aplicata electronului pentru ca saltul energetic sa poata fi realizat). Aceasta este si explicatia in virtutea careia un cablu dintr-un material izolator va ramane izolator atata timp cat tensiunea care i se aplica este mai mica decat pragul energetic dintre cele doua benzi. Cand energia care i se induce printr-o tensiune foarte mare aplicata in doua puncte distincte ale sale depaseste intervalul dintre benzi, izolatorul se transforma temporar intr-un conductor.

Dupa cum s-a aratat anterior, in metale intalnim o structura cristalina, unde in nodurile retelei cristaline se gasesc plasati ioni pozitivi, in timp ce printre noduri se afla electroni care pot migra dintr-o regiune in alta sub influenta unui camp electric. Totusi, in legaturile metalice, electronii care pleaca vor fi inlocuiti de alti electroni care vin, astfel incat, in orice zona a conductorului, se va gasi in permanenta acelasi numar de electroni (conductoarele metalice nu se dezechilibreaza din punct de vedere al sarcinii electrice atunci cand sunt parcurse de un curent electric, nu devin un alt element, cu alte proprietati).

Existenta electronilor mobili se explica prin forta de legatura foarte slaba a electronilor de valenta din conductoarele metalice. Odata activat campul electric, acestia sunt angrenati intr-o miscare mai blanda sau mai apriga prin conductorul metalic, rezistenta electrica a metalelor fiind data de frecventa ciocnirilor electronilor liberi cu ionii pozitivi din nodurile retelei. Ionii sunt intr-o permanenta vibratie termica in jurul unei pozitii de echilibru. Crescand temperatura, amplitudinea oscilatiilor creste, ceea ce franeaza miscarea electronilor liberi sub influenta campului. Asa se explica si cresterea rezistentei (rezistivitatii) metalelor cu temperatura.

Spre deosebire de metale, in semiconductoare, conductivitatea creste puternic odata cu temperatura. La temperaturi foarte coborate, semiconductoarele sunt izolatoare, iar la temperaturi ridicate sunt conductoare destul de bune. De ce se intampla acest lucru? Pentru ca, spre deosebire de metale, crescand temperatura in semiconductor creste si numarul electronilor liberi. De exemplu, in Siliciu pur, concentratia electronilor liberi creste de la 1017 electroni / mm cub (la temperatura camerei) pana la 1024 electroni / mm cub, la temperatura de 700 °C. Concentratia electronilor liberi in metale este de aproximativ 1028 / mm cub si nu se modifica prin variatia temperaturii.

Revenind la semiconductori, sub influenta unui stimul energetic extern (poate fi si o tensiune mai mica de 1V aplicata cel putin o secunda) electronii de valenta din atomii neutri incep sa se desprinda din legatura de valenta si sa se comporte ca niste electroni de conductie (liberi) din structura unui conductor metalic, plecand in directia indicata de campul electric aplicat si lasand in urma lor, in locurile pe care le parasesc, ''goluri'', adica legaturi co-valente nesatisfacute de numarul necesar de electroni. Daca tensiunea electrica aplicata la extremitatile materialului semiconductor persista, electronii din legaturile covalente vecine (cei care nu au ajuns electroni de conductie ci au ramas electroni de valenta localizati) pot migra pe directia campului electric inspre goluri pentru a le umple. Ca urmare, electronii de valenta calatoresc in structura sarind de la un gol la altul, in atomii de unde acestia pleaca pentru a umple un gol instalandu-se inevitabil, un alt gol. Per ansamblu, dupa aparitia unui ''gol'', ca urmare a desprinderii unui electron localizat si transformarii sale in electron liber (delocalizat sau de conductie), un electron localizat dintr-o legatura covalenta vecina merge sa umple golul si face acest lucru lasand in urma lui un alt gol.


 

In semiconductoare este caracteristic faptul ca la conductie participa pe langa electronii liberi (deveniti electroni de conductie) si electronii de valenta ramasi legati de atomii din reteaua cristalina, care migreaza prin structura materialului pentru a completa legaturile covalente ramase nesatisfacute. Deoarece fenomenul migrarii electronilor de valenta pentru a umple golurile este de asemenea influentat de campul electric extern aplicat semiconductorului, in sensul dirijarii miscarii electronilor de valenta in sensul campului aplicat, la scara macroscopica, ceea ce constatam ca se intampla este ca are loc o deplasare a electronilor de valenta (localizati) intr-un sens si a golurilor corespunzatoare in sens opus. Asadar pentru un camp electric aplicat de la stanga la dreapta intr-un semiconductor care contine goluri, electronii de valenta se vor desprinde in asa fel incat sa umple golurile printr-o miscare directionata de la stanga la dreapta. In acest fel, golurile se comporta ca niste particule fictive cu sarcina pozitiva si masa m, care se deplaseaza prin conductor in sens invers electronilor de valenta (in exemplul nostru de la dreapta la stanga) si contribuie, alaturi de electronii de conductie (liberi), la propagarea curentului electric prin conductor. Datorita faptului ca se pot deplasa prin structura materialului, electronii de valenta delocalizati (deveniti electroni de conductie purtatori de sarcina negativa) si golurile rezultate in urma plecarii acestora (purtatoare de sarcina pozitiva) devin particule fictive de conductie, participand impreuna si unitar la generarea curentului electric prin structura materialului. Electronii de conductie si golurile de valenta se genereaza in perechi electron-gol, acest ansamblu pereche fiind considerat particula fictiva de curent electric din semiconductoarele pure aflate la echilibru termic (adica la conditii exterioare de temperatura si camp electric constante).

S-a recurs la conceptul de "gol" pentru a se face diferenta intre electronii de conductie si electronii de valenta care formeaza fluxul electric prin conductor. De ce? Pentru ca la aplicarea unui camp electric extern (tensiune electrica la extremitatile semiconductorului), electronii liberi (deveniti electroni de conductie) circula sa spunem precum un avion prin structura materialului din punctul A in punctul B, in timp ce electronii de valenta care participa la conductie sar de la un atom la altul, drumul lor fiind comparabil cu acela al unui automobil care parcurge pe o sosea serpuita distanta din punctul A in punctul B. Diferenta dintre cele doua tipuri de purtatori de sarcina mobili este ca electronii liberi (de conductie) se misca mult mai usor (deci implicit mai repede) prin structura materialului decat o fac electronii de valenta. Asadar cei doi curenti electrici nu sunt egali ca intensitate, curentul de conductie fiind un curent de intensitate mai mare, in timp ce curentul format din electronii de valenta care sar din atom in atom este un curent de intensitate mai mica raportatat la curentul de conductie. Tocmai pentru a marca diferenta dintre aceste doua fenomene s-a convenit reprezentarea fluxul electronilor de valenta care participa la conductie prin fluxul golurilor care se deplaseaza prin conductor ca urmare a deplasarii electronilor de valenta in sens opus.
Practic orice curent electric este alcatuit din electroni. Insa datorita faptului ca in semiconductoare avem doua tipuri de curenti, pentru a diferentia clar pe unul de celalalt, s-a convenit ca acel curent electric alcatuit din electroni de conductie sa fie referit ca un curent electric CLASIC (ca in orice material conductor metalic) in timp ce curentul electric produs prin deplasarea electronilor de valenta din atom in atom prin structura materialului sa fie referit ca un curent electric ATIPIC (care nu se intalneste in conductoarele metalice) iar datorita faptului ca aceasta curgere a electronilor de valenta intr-un sens este echivalenta cu o curgere a golurilor in sens opus, s-a convenit ca acest curent de valenta sa fie reprezentat ca un curent de goluri.

Deoarece curentul de goluri se opune ca sens curentului de electroni, putem spune ca diferenta dintre curentul de electroni si curentul de goluri este curentul electric total prin conductor. Curentul de goluri este un curent de sarcina pozitiva si deci el echivaleaza cu un curent opus de sarcina negativa (electroni). Avem asadar:

i_material = i_e_conductie - i_goluri, ceea ce inseamna:
i_material = i_e_conductie + i_e_valenta

Asta dovedeste ca, dincolo de conventia de reprezentare (electron-gol), curentul electric prin material este suma curentilor aferenti electronilor de conductie si electronilor de valenta.

Observam deja cat de diferit este conceptul de curent electric atunci cand se intampla in materialele semiconductoare, fata de ce inseamna curentul electric in conductoarele metalice clasice.



 


Comentarii (0)

Nume

E-mail (nu se publica online)

Comentariu
Pentru a preveni subscrierea automata de comentarii de catre programe-robot, te rugam sa introduci textul din imagine in caseta alaturata. Comentariul va fi trimis doar daca textul corespunde imaginii.
»

 

Contribuie financiar..

Existenta unei astfel de lucrari presupune o investitie continua de timp, inspiratie si energie in cercetare si dezvoltare. Sustinerea financiara a proiectului poate asigura consacrarea deplina a eforturilor depuse inspre aducerea in manifestare a unei noi cunoasteri, capabila sa interconecteze in mod optim fiecare domeniu al vietii noastre cu fortele spirituale care ne guverneaza existenta.

 


Experiente de cunoastere..



 


Pentru cel care citeste..


Menirea acestui proiect este sa inspire si sa trezeasca setea de adevar si de cunoastere. Sa motiveze pe fiecare in parte sa cerceteze mai departe acele aspecte ale existentei care il preocupa cu adevarat. Sa trezeasca dorinte si initiative de sustinere a libertatii, dreptatii si calitatii vietii pe planeta. Sa ofere directii potentiale de progres pline de scop si sens.

Indiferent cine esti tu, cel care citeste, nu prelua implicit ce scrie aici sau in oricare alta parte. Confrunta aceste informatii cu bunul tau simt interior. Experimenteaza aceste lucruri in viata ta, adopta-le, ajusteaza-le sau renunta la ele pe masura ce iti largesti orizonturile. Poate ca te-ai nascut si ai fost educat in tot felul de dogme pe care le exersezi de zeci de ani. Dar pe drumul acela ai tot fost. Stii unde duce, stii unde se opreste, stii foarte bine ca nu-ti mai ofera de o buna perioada de vreme nimic nou care sa-ti satisfaca aspiratia spre mai mult, mult mai mult.

Opreste-te acum si schimba. Ia-ti ce ai tu nevoie de aici si intra pe o noua cale a ta, inca o data si de la inceput. Fa cativa pasi pe acest nou drum. Vezi cum te simti. Confrunta provocarea. Permite povestii sa se deruleze. Urmareste fiecare pas facut si alege-l curajos pe urmatorul. Interiorizeaza experienta. Te simti mai viu? Misterul te incita? Perspectiva te invioreaza? Daca da, atunci da-ti voie sa vezi cat de adanca este vizuina iepurelui!

 

 

Contact..

Eduard IrimiaAutor: Eduard Irimia
Locatie: Bucuresti, Romania
E-mail: contact@fortasigratie.ro
Mai multe informatii: Despre Autor

 

Din invataturile altora..


- "Libertatea este responsabilitate. Daca tu nu-ti asumi responsabilitatea, o va face altcineva pentru tine. Atunci devii sclav." ~ OSHO

- "Poti sa prostesti unii oameni tot timpul sau toti oamenii un timp, dar nu poti sa prostesti toti oamenii tot timpul." ~ Abraham Lincoln

- "Cel mai mare esec nu este faptul ca ai gresit, ci acela ca nu ai incercat." ~ Leon Adama

"Odata ce te conformezi, odata ce ajungi sa faci lucruri doar pentru ca ceilalti le fac la randul lor, letargia iti acapareaza talentul si iti nimiceste puterea sufletului." ~ Virginia Woolf

"Frumusetea fara inteligenta este precum o capodopera pictata pe un servetel."
~ intelepciune contemporana

"O jumatate de adevar este o minciuna intreaga." ~ Ed Cole

"Marimea audientei tale nu conteaza. Continua sa faci bine ceea ce faci."
~ intelepciune contemporana

- "Opusul dragostei nu este ura, este indiferenta. E apatia. Este sa nu-ti pese catusi de putin."
~ Leo Buscaglia

- "A te educa pe tine nu inseamna ca esti prost intr-o prima faza. Inseamna ca esti suficient de inteligent incat sa iti dai seama ca sunt teribil de multe lucruri de invatat." ~ Melanie Joy

- "Sa fii vesnic tanar nu inseamna sa ai 20 de ani, inseamna sa ai un ideal in viata pentru care sa lupti si pe care sa il cuceresti!"
~ Prof. Dr. Ana Aslan

- "Nu cauta maretia. Cauta adevarul si le vei gasi pe amandoua." ~ Horace Mann

- "Nu poti schimba ceea ce refuzi sa confrunti."
~ Gina Senarighi

"Lenea reprezinta obiceiul frecvent de a te odihni inainte de a fi obosit."
~ Jules Renard

- "Raiul pe Pamant este o alegere pe care o avem de facut, nu un loc pe care il avem de gasit."
~ Wayne Dyer

- "Viziunea fara actiune este visare. Actiunea fara viziune este cosmar." ~ Proverb japonez

- "Sufletele mari au vointa, cele slabe au doar dorinte." ~ Proverb Chinezesc

- "Lucreaza pentru cauze, nu pentru aplauze. Traieste pentru a exprima, nu pentru a impresiona. Nu dispera sa-ti faci prezenta remarcata, fa-ti doar absenta simtita."
~ intelepciune contemporana

"Mai intâi instruieste-te singur, apoi vei primi invatatura de la altii."
~ Johann Wolfgang Goethe

 

 

Inscrie-te in comunitatea noastra..

Adresa ta de e-mail:


Adaugare e-mail  Stergere e-mail


Pentru a evita ca mesajele sa ajunga in SPAM,
iti recomand sa adaugi la contactele din contul tau de e-mail adresa info@fortasigratie.ro