MECANISMUL CONDUCŢIEI (CONTINUARE)

Acest model de semiconductor astfel introdus, corespunde semiconductorului intrinsec. La acest tip, reţeaua cristalină este considerată ca având în noduri numai atomi ai semiconductorului de bază şi nu prezintă defecte. Într-un semiconductor intrinsec, prin ruperea unei legături covalente se formează o pereche electron-gol, deci concentraţiile celor două tipuri de purtători sunt egale.

Notând cu n concentraţia de electroni şi cu p concentraţia de goluri din semiconductor, valoarea lor comună se numeşte concentraţia intrinsecă şi este notată ni. Deci, n = p = ni.

Concentraţia intrinsecă depinde de temperatura absolută şi de lărgimea benzii interzise ΔE:

(1.2)

unde A – constantă, iar k – constanta lui Boltzman.Concentraţiile golurilor şi electronilor sunt puternic influenţate de

cantităţi infime de impurităţi, care se adaugă la un semiconductor în timpul fabricării lui. Procesul prin care într-un semiconductor se introduc impurităţi se numeşte dopare, iar semiconductorii respectivi se numesc semiconductori extrinseci.

Dacă reţeaua cristalină a unui semiconductor tetravalent (germaniu, siliciu) este dopată cu o impuritate pentavalentă (stibiu, fosfor, arseniu, bismut), cel de-al cincilea electron de valenţă nu participă la formarea legăturii covalente, fiind slab legat de atomul său. Chiar la temperatura camerei acest al cincilea electron poate să devină liber şi astfel atomii de impuritate constituie o sursă de electroni de conducţie în reţeaua semiconductorului (figura 1.9).

Electronul de impuritate, devenit liber, nu lasă în urma sa un ci un ion pozitiv de impuritate, fix, în reţeaua cristalină a semiconductorului.

Figura 1.9

Notând cu nn concentraţia de electroni, pn concentraţia de goluri din materialul semiconductor, ND concentraţia atomilor de impuritate, ND

+

concentraţia de ioni pozitivi, avem următoarele relaţii:

+4 +4 +4

+5 +4+4

+4 +4 +4

e-

(1.3)

(1.4)

Aceste impurităţi se numesc donoare (de tip n), iar semiconductorul cu impurităţi donoare se numeşte semiconductor de tip n. Într-un semiconductor de tip n electronii de conducţie (datoraţi atomilor de impuritate) sînt în număr mare şi se numesc purtători mobili de sarcină majoritari, iar golurile sunt în număr mic şi se numesc purtători de sarcină minoritari.

Cînd reţeaua cristalină a unui semiconductor tetravalent este dopat cu impurităţi trivalente (atomi de indiu, galiu, aluminiu etc.), atunci o legătură covalenţă dintre un atom de impuritate şi un atom de semiconductor rămîne nesatisfăcută. Din cauza agitaţiei termice (chiar la temperatura camerei), electronii de valenţă dobîndesc un surplus de energie şi unii dintre ei vor completa legăturile covalente nesatisfăcute ale atomilor de impuritate, lăsînd goluri în urma lor (figura 1.10).

Deoarece electronul care a completat legătura covalentă liberă rămâne fixat în cadrul legăturii covalente a atomului de impuritate, acesta din urmă se transformă în ion negativ. Mecanismul de formare a unui gol nu a fost însoţit de apariţia unui electron de conducţie.

Figura 1.10

Notînd cu pp numărul de goluri, np concentraţia de electroni, NA

concentraţia atomilor de impuritate, NA- concentraţia de ioni negativi din

materialul semiconductor, avem următoarele relaţii:

(1.5)

(1.6)

Asemenea impurităţi se numesc acceptoare (de tip p), iar semiconductorul cu impurităţi acceptoare se numeşte semiconductor de tip p. Într-un asemenea semiconductor, purtătorii mobili de sarcină majoritari (proveniţi din atomii impurităţilor) sînt golurile, iar purtătorii mobili minoritari (produşi de ruperea legăturilor covalente datorită creşterii temperaturii) sînt electronii.

+4 +4 +4

+3 +4+4

+4 +4 +4

Gol

e-

JONCŢIUNEA P - N LA ECHILIBRU TERMIC

În tehnică şi-au găsit aplicaţii materialele semiconductoare formate din două regiuni: o regiune dopată cu impurităţi acceptoare, în concentraţie NA, deci de tip p, şi o regiune dopată cu impurităţi donoare, în concentraţie ND, respectiv de tip n. Simplist, un semiconductor n poate considerat ca format din ioni donori pozitivi ficşi şi electroni negativi mobili, iar cel de tip p ca format din ioni acceptori negativi ficşi şi goluri pozitive mobile.

Să considerăm cele două regiuni unite printr-o structură cristalină continuă. Suprafaţa care separă regiunile de tip p şi de tip n dintr-un semiconductor eterogen reprezintă o joncţiune p-n.

În regiunea p, golurile, în concentraţie pp0, sînt purtători mobili de sarcină majoritari, iar electronii, în concentraţie np0, sînt purtători minoritari, concentraţia golurilor fiind mult mai mare decît cea a electronilor.

(2.1)

În regiunea n, dimpotrivă, electronii, în concentraţie nn0 sint purtători majoritari, iar golurile, în concentraţie pn0, sint purtători minoritari.

(2.2)

Deci, în regiunea p există o înaltă concentraţie de goluri, pe cînd în regiunea n există o mică concentraţie de goluri. De asemenea, în regiunea n există o înaltă concentraţie de electroni, pe cînd în regiunea p există o mică concentraţie de electroni.

Din cauza concentraţiei neuniforme, are loc difuzia purtătorilor de sarcină şi anume: electronii din regiunea n vor difuza în regiunea p şi se vor recombina cu golurile de aici, iar golurile din regiunea p vor difuza în regiunea n şi se vor recombina cu electronii majoritari aici.

Ca urmare a difuziei, în vecinătatea suprafeţei de separaţie a regiunilor p şi n se formează o zonă de trecere, sau de difuzie, cu lungimea l de ordinul micronilor, caracterizată printr-o anumită distribuţie a densităţii de volum a sarcinii electrice spaţiale.

Într-adevăr, în regiunea p din imediata vecinătate a suprafeţei joncţiunii, plecînd goluri şi sosind electroni, apare sarcina electrică negativă, iar în regiunea n din apropierea suprafeţei joncţiunii pleacă electroni şi sosesc goluri, încît se formează o sarcină spaţială pozitivă.

Ca urmare ia naştere un cîmp electric intern orientat de la regiunea n spre regiunea p. Acest cîmp electric transportă golurile din regiunea n în p şi electronii din regiunea p în regiunea n, deci în sens contrar fluxurilor de difuzie.

+ -

Figura 2.3

n - concentraţia electronilor

p - concentraţia golurilor

ρ – densitatea de volum a sarcinii spaţiale

V – potenţial electric

-lp0

x

nn0

np0

pp0

pn0

x

x

ln0

V0

0

x

lregiunea desarcină spaţială

n

pioni

electronsau gol

Corespunzător repartiţiei de sarcină electrică din dreptul joncţiunii p-n, în zona de trecere se produce o barieră de potenţial V0, cu o variaţie în lungul semiconductorului. Această barieră de potenţial se opune trecerii în continuare a purtătorilor mobili de sarcină dintr-o regiune în alta şi astfel se atinge o stare de echilibru.

JONCŢIUNEA P-N ÎN REGIM STAŢIONAR

Dacă se conectează un semiconductor cu joncţiunea p-n în circuitul unei surse de curent continuu cu tensiunea VA la borne, astfel încât borna + a sursei să se lege la regiunea n (caz în care vorbim de polarizarea inversă a joncţiunii), cîmpul electric intern va creşte ca valoare, bariera de potenţial creşte de la valoarea V0 la valoarea V0+VA, iar lungimea regiunii de trecere creşte de la l la l’, l<l’. În această situaţie vom avea:

(2.4)

(2.5)

În figură, s-a notat cu IpM şi –InM curenţii produşi prin difuzia purtătorilor de sarcină majoritari şi cu Ipm şi -Inm curenţii cauzaţi de deplasarea purtătorilor de sarcină minoritari, sub acţiunea cîmpului electric determinat de sursă în semiconductor.

Crescînd diferenţa de potenţial în cazul polarizării inverse a joncţiunii, numărul golurilor din regiunea p care ar putea trece în regiunea n pe seama agitaţiei termice, scade tinzînd către zero.

Curentul Ipm, care se poate produce în circuit pe seama golurilor (minoritare, ce se află în regiunea n) şi a căror trecere din n în p se face în

p n-Inm-InM

IpMIpm

Ii

VA

V

l

VA

V0

x

p, n

x0

nn0

pn0

pp0

np0

-lp lnFigura 2.4

sensul cîmpului electric din semiconductor, este foarte mic, deoarece concentraţia de goluri în semiconductorul n este extrem de mică. Pentru o tensiune inversă VA suficient de mare, toate golurile minoritare şi cele generate termic în regiunea n vor trece în regiunea p, atingîndu-se valoarea de saturaţie a curentului Ipm.

Dacă sursa de curent continuu se conectează în sens direct, adică borna + se leagă la regiunea p, cîmpul electric intern scade, bariera de potenţial scade la valoarea V0-VA , iar lungimea regiunii de trecere scade de la I la I’, I > I’. În această situaţie vom obţine:

(2.6)

(2.7)

Concomitent cu creşterea tensiunii directe VA, creşte curentul IpM pe seama creşterii numărului de goluri care trec prin joncţiune din regiunea p în regiunea n, deoarece la semiconductorul p purtătorii majoritari sînt golurile. Raţionamentul de mai sus se aplică şi pentru electronii liberi (figura 2.5).

p nIpMIpm

-Inm-InM

VA

Id V

l’

VA

V0x

x

0

p,n

pp0

np0

nn0

pn0

-lp ln

Figura 2.5

Caracteristica curent-tensiune a unei joncţiuni p-n este neliniară. Dacă sursa de tensiune este conectată în sens direct, curentul direct va fi:

IA = Id = IpM + InM - (Ipm + Inm) (2.8)

Curentul direct este determinat de purtătorii de sarcină majoritari şi creşte repede cu Vd, iar dacă sursa este conectată invers, curentul invers I i

are o valoare foarte mică, limitată de curentul de saturaţie:

IS = Ipm + Inm (2.9)

Se observă faptul că acest curent invers este cauzat de purtătorii de sarcină minoritari.

De la o anumită valoare a tensiunii inverse Vstr, numită tensiune de străpungere, curentul invers Ii creşte brusc, iar în semiconductor au loc procese ireversibile care deteriorează definitiv joncţiunea.

Joncţiunea p-n constituie elementul principal în realizarea de diode, tranzistoare, tiristoare şi alte dispozitive semiconductoare.

Zona străpungere

Zona interzisă

Zona directă

Vstr Vd

Ii

Id

Vi

Figura 2.6