Forta si Gratie

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