» » » » » » Semiconductori

Semiconductori

postat în: Electromagnetism | 0

Un material semiconductor are o valoare a conductivității electrice care se încadrează între cea a unui conductor – cum ar fi cuprul, aurul etc. – și un izolator, cum ar fi sticla. Rezistența lor scade odată cu creșterea temperaturii, care este un comportament opus celui al metalelor. Proprietățile lor conductive pot fi modificate în moduri utile prin introducerea deliberată, controlată a impurităților („dopare”) în structura cristalină. În cazul în care există două regiuni dopate diferit în același cristal, se creează o joncțiune semiconductoare. Comportamentul purtătorilor de sarcină care includ electroni, ioni și găuri de electroni în aceste joncțiuni este baza diodelor, tranzistorilor și a tuturor componentelor electronicii moderne.

Dispozitivele semiconductoare pot avea o serie de proprietăți utile, cum ar fi trecerea curentului mai ușor într-o direcție decât în cealaltă, care prezintă rezistență variabilă și sensibilitate la lumină sau căldură. Deoarece proprietățile electrice ale unui material semiconductor pot fi modificate prin dopaj sau prin aplicarea câmpurilor electrice sau a luminii, dispozitivele fabricate din semiconductor pot fi utilizate pentru amplificare, comutare și conversie de energie.

Conductivitatea siliciului este mărită prin adăugarea unei cantități mici de atomi pentavalenți (antimoniu, fosfor sau arsen) sau trivalenți (bor, galiu, indiu) (~ o ​​parte în 108). Acest proces este cunoscut sub numele de dopaj, iar semiconductorii care rezultă sunt cunoscuți ca semiconductori dopați sau extrinseci.

Înțelegerea modernă a proprietăților unui semiconductor se bazează pe fizica cuantică pentru a explica mișcarea purtătoarelor de sarcini 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 de „tip p„, iar atunci 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. Un singur cristal semiconductor poate avea multe regiuni de tip p și n; joncțiunile p-n dintre aceste regiuni sunt responsabile de comportamentul electronic util.

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. Elementele de lângă așa-numita „scară metaloidă”, unde metaloizii sunt localizați pe masa periodică, sunt de obicei utilizați ca semiconductori.

Unele proprietăți ale materialelor semiconductoare au fost observate la 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 mustăți de pisică, o diodă semiconductoare primitivă folosită pe scară largă în receptoarele radio timpurii. Evoluția fizicii cuantice a permis, la rândul său, dezvoltarea tranzistorului în 1947 și a circuitului integrat în 1958.

Proprietăți

Conductivitate variabilă: Semiconductorii în starea lor naturală sunt conducători săraci, deoarece un curent necesită flux de electroni, iar semiconductorii au benzile lor de valență umplută, împiedicând fluxul de intrare a electronilor noi. Există mai multe tehnici dezvoltate care permit materialelor semiconductoare să se comporte ca materiale de conducție, cum ar fi dopajul sau efectul de câmp. Aceste modificări au două rezultate: tip n și tip p. Acestea se referă la excesul sau lipsa electronilor, respectiv. Un număr de electroni neechilibrat ar determina curgerea unui curent prin material.

Heterojonctiuni: Heterojoncțiunile apar atunci când două materiale semiconductoare dopate diferit sunt unite. De exemplu, o configurație ar putea consta din germaniu dopat p și n. Acest lucru are ca rezultat schimbul de electroni și găuri între materialele semiconductoare dopate diferit. Germaniul dopat cu n ar avea un exces de electroni, iar germaniul dopat cu p ar avea un exces de găuri. Transferul are loc până când se ajunge la echilibru printr-un proces numit recombinare, care determină ca electronii migratori de la tipul n să intre în contact cu găurile migratorii de la tipul p. Un produs al acestui proces sunt ionii, care rezultă într-un câmp electric.

Electroni excitați: O diferență în potențialul electric pe un material semiconductor ar duce la abandonarea echilibrului termic și la crearea unei situații de neechilibru. Aceasta introduce electroni și găuri în sistem, care interacționează printr-un proces numit difuzie ambipolară. Ori de câte ori echilibrul termic este perturbat într-un material semiconductor, numărul de găuri și electroni se modifică. Astfel de perturbări pot apărea ca urmare a unei diferențe de temperatură sau a fotonilor, care pot intra în sistem și pot crea electroni și găuri. Procesul care creează și anihilează electroni și găuri se numește generare și recombinare.

Emisia de lumină: În anumiți semiconductori, electronii excitați se pot relaxa prin emiterea de lumină în loc de producerea căldurii. Acești semiconductori sunt utilizați în construcția de diode emițătoare de lumină și puncte cuantice fluorescente.

Conversia energiei termice: Semiconductorii au factori de putere termoelectrică mari, făcându-i utili în generatoarele termoelectrice, precum și în răcitoarele termoelectrice.

Fizica semiconductorilor

Benzile de energie și conducția electrică

Umplerea stărilor electronice în diferite tipuri de materiale la echilibru (Umplerea stărilor electronice în diferite tipuri de materiale la echilibru.În acest caz, înălțimea este energia în timp ce lățimea este densitatea stărilor disponibile pentru o anumită energie în materialul enumerat. Umbra urmează distribuției Fermi-Dirac (negru = toate stările umplute, alb = nu este umplută nicio stare. În metale și semimetale nivelul Fermi EF se află în interiorul cel puțin a unei benzi. În izolatori și semiconductori nivelul Fermi este în interiorul unui decalaj de bandă; cu toate acestea, în semiconductori benzile sunt suficient de aproape de nivelul Fermi pentru a fi populat termic cu electroni sau găuri.)

Semiconductorii sunt definiți prin comportamentul lor electric unic conductiv, undeva între un conductor și un izolator. Diferențele dintre aceste materiale pot fi înțelese în termenii stărilor cuantice pentru electroni, fiecare dintre ele putând conține zero sau un electron (prin principiul excluziunii Pauli). Aceste stări sunt asociate cu structura electronică a benzii materialului. Conductivitatea electrică apare datorită prezenței electronilor în stări care sunt delocalizate (extinzându-se prin material), totuși, pentru a transporta electroni, o stare trebuie să fie parțial umplută, conținând doar un electron doar o parte din timp. Dacă starea este întotdeauna ocupată cu un electron, atunci este inertă, blocând trecerea altor electroni prin acea stare. Energiile acestor stări cuantice sunt critice, deoarece o stare este parțial umplută numai dacă energia sa este aproape de nivelul Fermi (vezi statisticile Fermi-Dirac).

Conductivitatea ridicată într-un material provine din faptul că are multe stări pline parțial și multe delocalizări ale stării. Metalele sunt conductori electrici buni și au multe stări pline parțial cu energii în apropierea nivelului Fermi. Izolatorii, dimpotrivă, au puține stări pline parțial, nivelurile lor Fermi stau în interiorul benzilor cu puține stări energetice de ocupat. Este important ca un izolator să poată fi realizat prin creșterea temperaturii sale: încălzirea asigură energia pentru a promova unii electroni în decalajul de bandă, determinând stări parțial umplute atât în ​​banda de stări de sub decalajul de bandă (banda de valență), cât și în banda de stări de mai sus de decalajul de bandă (banda de conducție). Un semiconductor (intrinsec) are un decalaj de bandă care este mai mic decât cel al unui izolator și la temperatura camerei un număr semnificativ de electroni poate fi excitat pentru a traversa decalajul de bandă.

Un semiconductor pur, totuși, nu este foarte util, deoarece nu este nici un izolator foarte bun, nici un conductor foarte bun. Cu toate acestea, o caracteristică importantă a semiconductorilor (și a câtorva izolatori, cunoscuți sub denumirea de semi-izolatori) este că conductivitatea lor poate fi mărită și controlată prin doparea cu impurități și blocarea cu câmpuri electrice. Dopajul și blocarea determină o mutare a benzii de conducție sau valență mult mai aproape de nivelul Fermi, și mărește considerabil numărul de stări parțial pline.

Unele materiale semiconductoare cu decalaj de bandă largă sunt uneori denumite semi-izolatoare. Atunci când sunt nedopate, acestea au conductivitate electrică mai apropiată de cea a izolatoarelor electrice, dar pot fi dopate (făcându-le la fel de utile ca și semiconductorii). Semi-izolatoarele găsesc aplicații de nișă în microelectronică, cum ar fi substraturile pentru HEMT. Un exemplu de semi-izolator comun este arsenidul de galiu. Unele materiale, cum ar fi dioxidul de titan, pot fi folosite chiar ca materiale izolatoare pentru unele aplicații, fiind tratate ca semiconductori cu decalaj mare pentru alte aplicații.

Purtători de sarcini (electroni și găuri)

Umplerea parțială a stărilor de la baza benzii de conducție poate fi înțeleasă ca adăugând electroni la acea bandă. Electronii nu stau la nesfârșit (datorită recombinării termice naturale), dar se pot deplasa după un timp. Concentrația reală a electronilor este de obicei foarte diluată și astfel (spre deosebire de metale) este posibil să se gândească electronii din banda de conducție a unui semiconductor ca un fel de gaz ideal clasic, unde electronii se deplasează în jur liber, fără a fi supuși principiul excluziunii Pauli. În majoritatea semiconductorilor, benzile de conducție au o relație de dispersie parabolică, astfel încât acești electroni răspund forțelor (câmpul electric, câmpul magnetic etc.) la fel cum ar fi într-un vid, deși cu o masă eficientă diferită. Deoarece electronii se comportă ca un gaz ideal, se poate de asemenea să ne gândim la conducție în termeni foarte simpli, cum ar fi modelul Drude, și să introducă concepte precum mobilitatea electronilor.

Pentru umplerea parțială în partea de sus a benzii de valență, este util să introducem conceptul de gaură de electroni. Deși electronii din banda de valență se deplasează întotdeauna, o bandă de valență complet plină este inertă, nu conduce niciun curent. Dacă un electron este scos din banda de valență, atunci traiectoria pe care electronul ar fi luat-o în mod normal nu mai are acum acea sarcină. Pentru curentului electric, această combinație de bandă completă de valență, minus electronul, poate fi transformată într-o imagine a unei benzi complet goale care conține o particulă încărcată pozitiv care se mișcă în același mod ca electronul. Combinată cu masa efectivă negativă a electronilor din vârful benzii de valență, ajungem la o imagine a unei particule încărcate pozitiv care răspunde câmpurilor electrice și magnetice la fel cum o particulă încărcată pozitiv normală ar face-o în vid, din nou cu masa efectivă pozitivă. Această particulă este numită o gaură, iar colecția de găuri din banda de valență poate fi din nou înțeleasă în termeni clasici simpli (ca și cu electronii din banda de conducție).

Generarea și recombinarea purtătorilor de sarcini

Când radiațiile ionizante lovesc un semiconductor, pot excita un electron din nivelul său de energie și, în consecință, lasă o gaură. Acest proces este cunoscut sub numele de generare de perechi electron-gaură. Perechile electron-gaură sunt generate în mod constant și din energia termică, în absența oricărei surse externe de energie.

Perechile electron-gaură sunt, de asemenea, capabile să se recombine. Conservarea energiei necesită ca aceste evenimente de recombinare, în care un electron să piardă o cantitate de energie mai mare decât decalajul de bandă, să fie însoțite de emisia de energie termică (sub formă de fononi) sau de radiație (sub formă de fotoni).

În unele stări, generarea și recombinarea perechilor electron-gaură sunt în echilibru. Numărul de perechi electroni-găuri în starea de echilibru la o temperatură dată este determinat de mecanica statistică cuantică. Mecanismele mecanice cuantice precise ale generării și recombinării sunt guvernate de conservarea energiei și de conservarea impulsului.

Deoarece probabilitatea ca electronii și găurile să se întâlnească împreună este proporțională cu produsul numerelor lor, produsul este în starea de echilibru aproape constant la o anumită temperatură, cu condiția să nu existe un câmp electric semnificativ (care ar putea „spăla” purtătorii de ambele tipuri, sau muta din regiunile vecine care conțin mai multe sarcini pentru a se întâlni) sau genera extern perechi. Produsul este funcție de temperatură, deoarece probabilitatea de a obține o cantitate suficientă de energie termică pentru a produce o pereche crește cu temperatura, fiind aproximativ exp(-EG/kT), unde k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura absolută și EG este decalajul de bandă.

Probabilitatea de întâlnire este mărită de capcanele purtătorilor – impurități sau dislocări care pot prinde un electron sau o gaură și îl pot ține până când o pereche este completată. Astfel de capcane ale purtătorilor sunt adesea intenționat adăugate pentru a reduce timpul necesar pentru a ajunge la starea de echilibru.

Doparea

Conductivitatea semiconductorilor poate fi ușor modificată prin introducerea impurităților în rețeaua lor de cristal. Procesul de adăugare a impurităților controlate la un semiconductor este cunoscut sub numele de dopaj. Cantitatea de impuritate sau dopant adăugată la un semiconductor intrinsec (pur) modifică nivelul de conductivitate. Semiconductorii dopați sunt numiți extrinseci. Prin adăugarea de impurități semiconductoarelor pure, conductivitatea electrică poate fi variată cu factori de mii sau milioane.

O specimen de metal sau semiconductor de 1 cm3 are un număr de atomi de ordinul a 1022. Într-un metal, fiecare atom dă cel puțin un electron liber pentru conducție, astfel că 1 cm3 de metal conține electroni liberi de ordinul a 1022, în timp ce o probă de 1 cm3 de germaniu pur la 20 °C conține aproximativ 4,2×1022 atomi, 2,5×1013 electroni liberi și 2,5×1013 găuri. Adăugarea a 0,001% arsen (o impuritate) dă un număr suplimentar de 1017 electroni liberi în același volum, iar conductivitatea electrică este mărită cu un factor de 10.000.

Materialele alese ca dopanți adecvați depind de proprietățile atomice ale dopantului și ale materialului care urmează a fi dopat. În general, dopanții care produc modificările controlate dorite sunt clasificați fie ca acceptori de electroni, fie ca donori. Semiconductorii dopați cu donori sunt numiți de tip n, în timp ce cele cele dopate cu impurități acceptoare sunt cunoscute ca tip p. Denumirile de tip n și p indică ce purtător de sarcină acționează ca purtător majoritar al materialului. Purtătorul opus este denumit purtător minoritar, existând datorită excitației termice la o concentrație mult mai mică comparativ cu transportorul majoritar.

De exemplu, siliciul pur semiconductor are patru electroni de valență care leagă fiecare atom de siliciu de vecinii săi. În siliciu, dopanții cei mai frecvenți sunt elementele din grupa III și grupa V. Elementele din grupa III conțin toate trei electroni de valență, determinând-i să acționeze ca acceptori atunci când sunt utilizați pentru a dopa siliciul. Atunci când un atom acceptor înlocuiește un atom de siliciu în cristal, se creează o stare vacantă (o „gaură” de electroni) care se poate mișca în jurul rețelei și funcționează ca un suport de încărcare. Elementele din grupa V au cinci electroni de valență, ceea ce le permite să acționeze în calitate de donatori; înlocuirea acestor atomi de siliciu creează un electron suplimentar liber. Prin urmare, un cristal de siliciu dopat cu bor creează un semiconductor de tip p, în timp ce unul dopat cu fosfor are ca rezultat un material de tip n.

În timpul fabricației, dopanții pot fi difuzați în corpul semiconductor prin contactul cu compușii gazoși ai elementului dorit sau poate fi utilizată implantarea ionilor pentru a poziționa cu precizie regiunile dopate.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *