Jonciunea PN.

Studiul materialelor semiconductoare mi s-a prut mereu ceva total inutil din punct de vedere practic. Aceast prere mi s-a ntrit n timp, observnd c reueam s-mi dezvolt montajele electronice pe care mi le doream fr s am niciodat nevoie de cunotinele despre fizica materialelor semiconductoare, despre jonciunea PN etc. Totui, mi-am dat seama c fr s neleg mcar n mare cum funcioneaz toate componentele electronice cu care am de a face, este mai greu s neleg ca lumea toate modurile n care le pot folosi. Fizica semiconductoarelor este un subiect greu digerabil aa c m-am hotrt ca prin acest articol s te ajut s o nelegi mai uor. Aadar, astzi vom vorbi despre: Ce sunt materialele semiconductoare ? Cum funcioneaz materialele semiconductoare ? Jonciunea PNCe sunt materialele semiconductoare ?Sunt materiale care auconductivitatea electricundeva ntre cea a metalelor i cea a materialelor izolatoare. Ce le face ns cu adevrat importante n electronic este faptul c n anumite condiii i pot schimba radical conductivitatea electric.Cum funcioneaz materialele semiconductoare ?Pentru a putea nelege mai uor cum funcioneaz i cum se fabric semiconductoarele, fie c ne place sau nu, trebuie s nghiim nti puin chimie.Aadar, chimia ne spune c electronii unui atom nu se rotesc n jurul lui aa oricum, ci n nite straturi sau orbite care se afl la distane precise fa de centrul atomului.Altfel spus, un atom poate fi privit ca o ceap: centrul acesteia este echivalent cu nucleul atomului, iar foiele cepei corespund cu straturile n care se plimb electronii n jurul nucleului. n fiecare din aceste straturi poate ncape doar un numr limitat de electroni.Aezarea electronilor n straturi are loc la fel cum se aeaz spectatorii n sala de spectacol. Dac este vorba de un spectacol la care vine puin lume, vor fi pline doar locurile din primele dou-trei rnduri, dac este un spectactol la care vine mai mult lume, se ocup i rndurile trei-patru i tot aa mai departe. Similar, dac un atom are puini electroni, acetia vor ocupa doar primele straturi, dac atomul are mai muli electroni, se vor ocupa i cteva din straturile urmtoare i aa mai departe.La fel ca i n analogia cu sala de spectacol, n cazul multor elemente chimice, ultimul strat nu se completeaz 100% cu electroni. n aceste cazuri, electronii de pe ultimul strat pot fi folosii de ctre atom pentru a forma legturi chimice cu ali atomi.Acum, dup aceast scurt lecie de chimie, tim destule pentru a putea nelege funcionarea materialelor semiconductoare.Materiile prime folosite la fabricarea materialelor semiconductoare sunt cristalele de diamant, germaniu i mai ales siliciu. Aceste materiale sunt speciale prin faptul c absolut toi electronii de pe ultimul strat sunt folosii la crearea de legturi cu atomii vecini.Acest lucru se observ foarte bine nfigura 1(inspirat dintr-undocumentmai amplu). Sferele albastre reprezint electronii de pe ultimul strat (pe cei din straturile inferioare nu i-am mai pomenit pentru c practic nu au nici o influen). Atomul de germaniu (simbolizat Ge) din centrulfigurii 1are doar 4 electroni pe ultimul strat i viseaz s mai fac rost de nc 4 pentru a-i ocupa toate locurile de pe ultimul strat. Fiind de aceeai natur, acelai lucru i-l doresc i atomii vecini. Cum i rezolv acetia problema lipsei de electroni ? Simplu, electronii vecini i pun la comun cte un electron la fel cum amicii pun bani mn de la mn pentru a-i cumpra lucruri pe care nu i le pot permite singuri, lucruri pe care apoi le folosesc mpreun. Altfel spus, dac doi atomi i pun la comun cte un electron, perechea respectiv de electroni va fi folosit simultan de ambii atomi. Astfel, fiecare din cei doi atomi se va simi ca i cum ar avea 5 electroni pe ultimul strat. nfigura 1se observ c fiecare atom de Ge i mparte toi cei 4 electroni de pe ultimul strat cu patru atomi nvecinai, ceea ce l face s se simt ca i cum nu ar avea nici un electron lips. n chimie, aceast nelegere poart denumirea delegtur covalent.

Figura 1. Reeaua cristalin a unui cristal de germaniuAceast situaie las materialul semiconductor frelectroni liberi. Fr prezena electronilor liberi, semiconductoarele nu pot conduce curentul electricideci, teoretic, sunt materiale perfect izolatoare. De ce le-am vrea izolatoare ? Pentru a le putea face s devin conductoare doar n modul n care dorim noi, nu haotic aa cum ar putea-o face diferitele impuriti. Din acest motiv, puritatea materiilor prime semiconductoare trebuie s fie mai mare de99,9999%.Ultima etap n fabricarea materialelor semiconductoareconst n transformarea lor din izolatori electrici n conductori electrici. Aceast transformare se obine prin doparea (amestecarea) semiconductoarelor cu nite impuriti speciale, numite impuriti de tipPsau impuriti de tipN.Impuritile de tip Pconstau n cantiti foarte mici de bor (B) sau galiu (Ga). Acest fapt este reprezentat nfigura 2unde se observ cum atomul de bor (cruia i lipsesc 5 electroni de pe ultimul strat) pur i simplu fur 1 electron de la un atom de germaniu vecin pentru a putea stabili 4 legturi covalente cu atomii vecini (3 legturi cu electronii lui i una cu electronul furat de la vecinu germaniu). La fel de bine se poate ntmpla ca atomul de bor s fie cinstit, s nu fure electroni de nicieri, s formeze doar 3 legturi covalente i s rmn cu un loc gol pe ultimul strat. n oricare din aceste situaii ne-am afla, vom avea mereu aceeai consecin:nsemiconductorii dopai cu atomi de tip P, mereu vor exista locuri libere pentru ali electroni (provenii de undeva din exteriorul materialului.n literatura tehnic de specialitate, aceste locuri libere se numescgoluri. Deoarece aceste goluri pot primi electroni de undeva din exterior, rezult c n acest caz semiconductorul poate conduce curentul electric.

Figura 2. Doparea unui cristal de germaniu (Ge) cu atomi de bor (B).Nota:Te-ai putea gndi c dup ce conectezi semiconductorul la o surs de alimentare cu energie electric, toate golurile se vor umple cu electroni luai din borna negativ a sursei respective (care este doldora de electroni)i c, n cele din urm, semiconductorul redevine izolator. ntr-adevr, golurile vor absorbi electronii fcui cadou de sursa respectiv, ns nu-i vor putea nepeni n legturi covalente pentru c toate legturile covalente posibile sunt deja fcute nc din etapa de fabricaie a semiconductorului. Asta nseamn c electronii primii cadou de la sursa de alimentare vor putea ocupa golurile, ns pentru c nu-i mpiedic nici o legtur covalent, la nevoie pot prsi acele goluri pentru a forma un curent electric.Aadar, semiconductorul rmne conductor i n acest caz.Materialele semiconductoare dopate cu impuriti de tip P se numescmateriale semiconductoare de tip P.Impuritile de tip Nconstau n cantiti foarte mici de fosfor sau arsenic. Situaia este reprezentat nfigura 3unde se observ cum funcioneaz doparea cristalelor de germaniu cu atomi de arseniu (crora de pe ultimul strat le lipsesc doar 3 electroni). Cu toate c ar avea nevoie doar de 3 atomi, atomul de arseniu ncearc s se integreze n societate i formeaz 4 legturi covalente cu 4 atomi de germaniu vecini. Astfel atomul de arseniu simte c s-a ales cu 4 electroni, deci cu unul n plus fa de ct ar avea nevoie pentru a-i completa ultimul strat. Electronul care este n plus nu este acceptat de nici unul din atomii vecini, pentru c acetia au format deja toate legturile covalente posibile. Asta nseamn c electronul rmas n plus este de fapt un electron liber, care poate ajuta oricnd la formarea unui curent electric.Not:presupun c n acest caz te-ai putea gndi c dup ce conectezi semiconductorul la o surs de alimentare cu energie electric, toi electronii liberi din semiconductor ar putea fi absorbii de borna pozitiv a sursei respective (care este mereu flmnd dup electroni) i c, n final, semiconductorul redevine izolator. ntr-adevr, electronii liberi vor fi absorbii de borna pozitiv ns fr aceti electroni o parte din atomii semiconductorului vor deveniioni pozitivi, caremereu vor fi dornici s primeasc electroni pentru a redeveni neutri. Altfel spus, absorbind electronii liberi, nu faci dect s creezi nite goluri de electroni n care se pot instala foarte bine nite electroni venii de undeva din exteriorul semiconductorului. Cum nici n acest caz nu se mai pot forma alte legturi covalente, rezult c electronii care ar ocupa acele goluri ar putea-o lua oricnd din loc pentru a forma un curent electric. n concluzie, i n acest caz semiconductorul rmne conductor.Materialele semiconductoare dopate cu impuriti de tip N se numescmateriale semiconductoare de tip N.

Figura 3. Doparea unui cristal de germaniu (Ge) cu atomi de arseniu (As)Jonciunea PNDin discuiile de mai sus rezult c att semiconductoarele de tip P ct i cele de tip N, luate separat, sunt materiale conductoare. Cnd ns sunt puse n contact, electronii liberi din semiconductorul N se npustesc s ocupe golurile de electroni din semiconductorul P. Zona de contact dintre semiconductorul de tip N i cel de tip P poart numele dejonciunea PN(vezifigura 4).Pe msur ce electronii liberi din N ocup golurile din P se ntmpl urmtoarele lucruri: n semiconductorul P crete numrul de electroni, fapt pentru care n acesta ncep s aparioni negativi(punctele albastre dinfigura 4); n semiconductorul N scade numrul de electroni, fapt pentru care n acesta ncep s aparioni pozitivi(punctele roii dinfigura 4).Probabil mai ii minte de la chimie c ionii negativi, avnd exces de electroni, tind s resping electronii liberi de prin apropiere. Asta nseamn c neutralizarea golurilor din semiconductorul P cu electroni liberi din semiconductorul N, continu doar pn cnd ionii negativi care apar n semiconductorul P ajung s fie att de muli nct formeaz o barier care nu mai permite trecerea electronilor liberi prin jonciunea PN. Aceast barier se numetebarier de potenialsauzon de golire(depletion zone).Primii electroni liberi i primele goluri care se mnnc reciproc sunt cele din imediata vecinatate a jonciunii PN i de aceea mijlocul barierei de potenial coincide cu zona de contact a semiconductorului de tip N cu cel de tip P.

Figura 4. Jonciunea PNAi putea spune, nu mai neleg nimic, electronii liberi vor sau nu s ocupe toate golurile disponibile ?. Asta m-a bulversat i pe mine pn cnd am neles c este vorba de dou fenomene care se petrec n acelai timp dar au efecte contrare:primul fenomen am spus mai sus c n semiconductorul P, unii atomi din materialul de baz sunt deposedai de un electron de ctre atomul de impuritate. Per total ns, numrul de electroni ai semiconductorului P rmne constant.n urma electronului rpit rmne un gol care ip c vrea umplut napoi. Drept consecin,zonele cu mai puini electroni din semiconductorul P, atrag prin jonciunea PN electroni din semiconductorul N;al doilea fenomen cnd un electron liber ajunge din semiconductorul N ntr-un gol din semiconductorul P, acesta rezolv problema golului ns n acelai timp reduce numrul de electroni din semiconductorul de tip N. Drept consecin,semiconductorul N cere napoi semiconductorului P electronii luai n cadrul primului fenomen.Datorit apariiei zonei de golire, n mod normal electronii liberi nu mai pot circula prin jonciunea PN. Trecerea curentului electric prin jonciunea PN este totui posibil dac neutralizm efectul barierei de potenial aplicnd o tensiune electric de aceeai valoare dar de sens contrar. Aceast tensiune electric de neutralizare poart denumirea detensiune de prag.Valoarea tensiunii de prag depinde de materialul de baz din care este construit jonciunea PN. De exemplu, pentru cele din siliciu este de cca. 0,65V, pentru cele cu germaniu este n jur de 0,15V i aa mai departeCea mai important proprietate pe care o posed jonciunea PN este faptul c nu conduce curentul electric dect ntr-un singur sens. n continuare vom vorbi puin despre ce se ntmpl n jonciunea PN atunci cnd o conectm o surs de tensiune electric, n fiecare din cele dou sensuri posibile.Jonciunea PN polarizat n sens direct.n acest mod, electronilor din materialul N li se adaug electroni trimii de borna (minus) a sursei, iar numrul de goluri din materialul P este crescut de electronii absorbii de borna + (plus). n acest mod, practic se mrete numrul de electroni liberi din materialul N i numrul de goluri din materialul P. Din acest motiv, n sens direct, jonciunea PN conduce curentul electric (bineneles, dac la bornele ei aplicm o tensiune electric cel puin egal cu tensiunea de prag). Fenomenul este schiat nfigura 5unde se observ c bariera de potenial are dimensiuni mai reduse la polarizarea n sens direct fa de cazul dinfigura 4n care jonciunea PN nu este conectat nicieri.

Figura 5.Jonciunea PN polarizat n sens directJonciunea PN polarizat n sens invers.n acest caz, toi electronii liberi din materialul N sunt nghiii de borna + (plus) iar toate golurile din materialul P sunt completate de electronii venii de la borna (minus).n aceast situaie, semiconductorul de tip N devine izolator pentru cfr electroni liberi nu mai are cine conduce curentul electric. n acelai mod i materialul P devine izolator pentru c nemaiavnd locuri libere, nu mai poate accepta electroni de nicieri.n alt ordine de idei: n sensul direct, tensiunea aplicat pe jonciunea PN reduce grosimea barierei de potenial, putnd-o chiar anula dac are o valoare mai mare dect tensiunea de prag; n sensul indirect, tensiunea aplicat pe jonciunea PN mrete grosirea barierei de potenial.Fenomenul este schiat nfigura 6unde se observ c bariera de potenial are dimensiuni mult mai mari la polarizarea n sens invers fa de cazul dinfigura 4n care jonciunea PN nu este conectat nicieri.

Figura 6.Jonciunea PN polarizat n sens inversDup cum vezi, jonciunea PN are o funcionare destul de simpl (DAC stpneti binedestul de multe noiuni de chimie i fizic molecular). Sunt multe moduri de a explica aceste lucruri, ns eu sper c am reuit s le aleg doar pe cele care sunt pe nelesul tau.n practic, jonciunile PN se regsesc n structura diodelor, tranzistoarelor i tiristoarelor. ns despre acestea vom vorbi n articolele viitoare.