SEMICONDUCTORI

Pentru a nelege cum funcioneaz diodele, tranzistorii sau circuitele integrate, trebuiesc studiate materialele semiconductoare, care nu sunt nici conductori, nici izolatori. Semiconductorii sunt materiale care au un numr limitat de electroni liberi, ins particularitatea lor n ceea ce privete conducia este existena unui al doilea tip de purttori de sarcin liberi, golurile. Deosebirea ntre cele trei tipuri de materiale, conductori, izolatori i semiconductori este la nivel de structur atomic. Pentru a asigura conducia electric, un material trebuie s aib n structura sa electroni liberi. Din punct de vedere principial, toi electronii unui material dat ar trebui s fie legai pe orbite stabile, gravitnd n jurul unui nucleu. Din punct de vedere cuantic ns, datorit fluctuaiilor statistice, energia electronilor poate fi la un moment dat suficient de mare pentru ca acetia s prseasc atomul i s devin electroni liberi. Aceast probabilitate crete o dat cu creterea temperaturi, dar depinde n cea mai mare msur de structura electronic a materialului respectiv. Astfel n fig.2.1 este prezentat structura electronic a cuprului, care este un conductor reprezentativ.

Fig.2.1. Structura electronic pentru atomi de materiale a) conductoare (Cu); b) semiconductoare (Si, Ge)

1

Se poate observa faptul c acesta are trei straturi electronice complet ocupate, iar pe ultimul strat un singur electron. Acesta interacioneaz slab cu nucleul, datorit ecranrii realizate de ceilali electroni i energia sa de legtur este att de slab nct poate fi considerat practic liber. Avnd n vedere c fiecare atom are un astfel de electron, n orice moment n material este un numr foarte mare de purttori liberi, motiv pentru care cuprul este un bun conductor de electricitate. Izolatorii au n schimb un numr mare de electroni pe ultimul strat, aproape de configuraia stabil, iar energia necesar eliberrii acestora este foarte mare. Spre deosebire de conductori, semiconductorii au pe ultimul strat, numit i strat de valen, un numr de patru electroni. Materialele reprezentative pentru aceast clas sunt germaniul i siliciul. Configuraiile lor electronice pot fi observate n figura 2.1. Se poate vedea c germaniul are un strat electronic complet n plus fa de siliciu, ceea ce explic i diferenele n comportarea electric dintre cele dou.

PURTATORI DE SRCINA IN SEMICONDUCTOARE

Din punctul de vedere al proprietii corpurilor solide de a fi strbtute de curent electric sub aciunea unei tensiuni electrice continue aplicate din exterior, acestea se mpart n trei mari categorii: - conductoare (metalele); - semiconductoare; - izolatoare. In metale ntlnim o structur cristalin, unde n nodurile reelei cristaline se gsesc plasai ioni pozitivi, n timp ce printre noduri se mic liber i haotic electroni. Apariia electronilor liberi se explic prin fora de legtur foarte slab a electronilor de valen. Concentraia electronilor liberi este de ordinul 1028 m-3 i nu depinde practic de temperatur. Rezistena electric a metalelor este determinat de frecvena ciocnirilor electronilor liberi cu ionii pozitivi din nodurile reelei. Ionii sunt ntr-o permanent vibraie termic n jurul unei poziii de echilibru. Cu creterea temperaturii, amplitudinea oscilaiilor crete, ceea ce frneaz micarea de ansamblu a electronilor liberi sub aciunea unui cmp electric exterior. Aa se explic creterea rezistenei (rezistivitii) metalelor cu temperatura. Din punct de vedere al conductivitii ( = 1/), metalele nregistreaz valori foarte mari, m E [106, 108] -1m-1. Exist i o categorie de materiale, numite izolatoare, pentru care conductivitatea este extrem de mic, i E [10-12,10-20] -1m-1. Electronii de valen ai atomilor acestor materiale sunt foarte puternic legai de atomi. Izolatoarele nu conduc curentul electric deoarece n interiorul lor, practic, nu exist purttori liberi de sarcin electric. Aceste materiale, cum ar fi mica, materiale plastice, sticla, ceramica, marmura, hrtia, cauciucul etc. sunt foarte folosite n electrotehnic n general pentru a realiza diferite izolaii electrice. ntre metale i izolatoare, din punct de vedere al conductivitii, se plaseaz semiconductoarele, pentru care s E [104, 10-8] -1m-1. Spre deosebire de metale, la semiconductoare, conductivitatea crete puternic cu temperatura (absolut), aa cum se indic n fig. 2.1.

2

La temperaturi foarte coborte, semiconductoarele sunt izolatoare, iar la temperaturi ridicate sunt conductoare destul de bune. n categoria semiconductoarelor intr o mare varietate de substane: oxizi, compui, elemente chimice ca siliciul, germaniul, seleniul, etc. n dispozitivele electronice semiconductoare, cele mai utilizate materiale sunt cristalele elementelor tetravalente Ge i Si i a unor compui intermetalici, ndeosebi GaAs (arseniur de galiu). n cazul semiconductoarelor, electronii de valen sunt legai de atom mai slab dect la materialele izolatoare. Aceste legturi pot fi rupte dac electronii primesc o energie suficient devenind astfel electroni liberi. Pentru trecerea electronilor din stadiul de electroni legai de atom n starea de electroni liberi, trebuie transmis o energie minim W, numit energie de activare. Pentru semiconductoare, energia de activare se plaseaz n domeniul 0,025 3 eV. Fiecare material semiconductor n parte este caracterizat de o anumit valoare a energiei de activare. Astfel, pentru Ge avem W = 0,72 eV, pentru Si, W = 1,1 eV, etc. Folosind acelai criteriu, al energiei de activare, putem constata c la metale, W = 0, iar la izolatori, W = 3 10 eV. Energia de activare la metale fiind nul, la orice temperatur numrul electronilor liberi este acelai. n cazul izolatoarelor, energia de activare fiind foarte mare, prin nclzire, practic nu apar purttori liberi. Datorit valorilor mici, energia de activare poate fi transmis electronilor de valen din materialele semiconductoare de energia de agitaie termic a ionilor reelei cristaline. Spre deosebire de metale, cu creterea temperaturii n semiconductoare crete numrul electronilor liberi. De exemplu, la Si pur, concentraia electronilor liberi crete de la 1017 m-3 (la temperatura camerei) pn la 1024 m-3, la temperatura de 700 C (legea 3/2). La semiconductoare este caracteristic faptul c la conducie particip pe lng electronii liberi (de conducie) i electronii de valen, rmai legai de atomii din reeaua cristalin. Pentru nelegerea acestui tip de conducie analizm comportarea electronilor dintrun cristal de germaniu. Atomul de germaniu are patru electroni de valen. n reeaua cristalului de germaniu, fiecare atom este nconjurat echidistant de patru atomi. Fiecare electron de valen al unui atom formeaz o pereche cu un electron de valen din atomul vecin. Electronii devin comuni ambilor atomi. Acest tip de legtur, caracterizat prin punerea n comun a electronilor de valen ntre atomii vecini, se numete legtur covalent. n fig. 2.2 a se reprezint modelul spaial al legturilor unui atom de germaniu din reeaua cristalin, iar n fig. 2.2 b modelul plan (simplificat) al legturilor covalente dintre atomii de germaniu.

3

Starea legturilor din fig. 2.2 corespunde temperaturilor foarte sczute, cnd cristalul se comport ca un izolator aproape perfect. La temperaturi mai nalte, datorit caracterului fluctuant al energiei de agitaie termic, o parte din electronii din legturile covalente pot deveni electroni liberi, primind o energie (cel puin) egal cu energia de activare. Electronii eliberai din atomii neutri las n locurile pe care le prsesc ''goluri'', adic legturi covalente nesatisfcute. Sub aciunea unui cmp electric exterior, electronii din unele legturi covalente ale atomilor vecini pot ''umple'' aceste ''goluri''. Ca urmare, n atomii de unde au plecat rmn alte ''goluri''. Dup apariia unui ''gol'', un electron dintr-un atom vecin l umple, lsnd n urma lui alt gol. Prin urmare, are loc o deplasare a electronului legat (de valen) ntr-un sens i a golului n sens contrar. n acest fel, golurile se comport ca nite particule fictive, cu sarcin pozitiv +e i mas mp , care se deplaseaz prin cristal i contribuie, alturi de electronii liberi, la conducia electric. Micarea electronilor liberi, eliberai din legturile covalente, se poate reprezenta printr-o micare clasic, supus legilor mecanicii newtoniene, sub aciunea forelor externe (cmpuri electrice exterioare), a unei particule fictive, numit electron de conducie. Acesta are sarcina electric -e i o mas mn. n mn se include efectul cmpului electric periodic, datorat ionilor reelei cristaline, electronul fiind supus doar forelor externe, macroscopice. In concluzie, n semiconductoare particip la conducie dou tipuri de purttori de sarcin mobil: electronii (negativi) i golurile (pozitive). ntr-un semiconductor pur, la echilibru termic, purttorii mobili apar numai prin generarea termic a perechilor electron-gol. n acest fel, vor rezulta tot atia electroni de conducie cte goluri.

SEMICONDUCTORI INTRINSECI SI EXTRINSECI

Un semiconductor n stare pur este un semiconductor intrinsec. La temperaturi apropiate de temperatura camerei numrul de purttori al acestora este foarte redus, motiv pentru care n aceast stare nu este util aplicaiilor practice. Creterea temperaturii este o cale de cretere a conductivitii (spre deosebire de metale!), ns nu este o metod eficient. Metoda folosit n practic este doparea semiconductorilor intrinseci, impurificarea controlat a acestora.

4

Un semiconductor impurificat se numete semiconductor extrinsec. Pentru impurificare se folosesc de obicei materiale din grupa a treia sau a cincea a sistemului periodic. Prin impurificarea cu elemente pentavalente (stibiu, arsen, fosfor), denumite substane donoare, numrul de electroni crete. Aceste substane au pe stratul de valen 5 electroni. Un astfel de atom, avnd 4 vecini cu care realizeaz legturi covalente, va avea pe ultimul strat 9 electroni. Dintre acetia, 8 sunt bine legai, ns al 9-lea, care este n plus fa de configuraia stabil, devine electron liber. n acest mod, n semiconductor ia natere un numr de electroni liberi practic egal cu numrul de atomi de impuritate. Aceti electroni au particularitatea c nu mai apar n pereche cu goluri. Cnd pentru impurificare se folosesc elemente trivalente (aluminiu, bor, galiu), numrul de goluri crete. Impuritile se numesc n acest caz acceptoare, deoarece avnd doar trei electroni pe ultimul strat, mpreun cu cei patru ai vecinilor, vor avea 7 electroni pe stratul de valen, deci un gol (fig.2.5).

Semiconductori intrinseciDispozitivele semiconductoare sunt realizate cu elemente din grupa a IV-a datorit faptului c legtura dintre atomi este covalent (legtur chimic care se realizeaz prin punerea in comun a electronilor de valent a 2 atomi invecinati). Dintre elementele grupei se utilizeaz cu precdere Siliciul si apoi Germaniul. Caracteristic elementelor semiconductoare este faptul c energia electronilor se gseste pe nivele energetice situate in benzi. Banda de valent BV contine nivele energetice ale electronilor de energie mic, electroni care sunt prinsi in legturi covalente. Energia maxim a benzii de valent se noteaz Wv. Electronii care au posibilitatea s se deplaseze in spatiul interatomic (electronii liberi) au energii situate pe nivele energetice corespunztoare benzii de conductie BC. Energia minim a benzii de conductie se noteaz Wc.

5

Intre cele dou benzi permise (BC si BI) se afl banda interzis BI, (vezi figura 1.6) a crei ltime energetic JW = Wc Wv, este o constant de material fiind specific naturii semiconductorului spre exemplu Semiconductori realizati din Si au ltimea benzii interzise 1,12 eV [2].

Un electron cu energia Wv , pentru a se desprinde din legtura covalent, ca s devin electron liber, trebuie s primeasc pe o cale oarecare (spre exemplu prin impuls, adic prin ciocnirea cu un electron de vitez mai mare) o energie suplimentar de cel putin JW. In aceste conditii energia electronului va depsi BI si va trece pe un nivel din interiorul BC electronul este liber. Prsirea legturii covalente de electronul care a primit suficient energie determin o legtur covalent nesatisfcut in structura semiconductorului numit gol. In cazul metalelor, conductia curentului electric se face prin electroni. In cazul semiconductorilor, conductia curentului electric se face atat prin electroni cat si prin goluri. Intelegem prin conductie a curentului electric transferul de sarcin electric printr-o suprafat . Curentul electric este o miscare ordonat a unor purttori de sarcin printr-o suprafat , caracterizat prin intensitatea curentului electric de conductie. Intensitatea curentului electric i de conductie este definit prin variatia a sarcinii electrice care trece prin suprafata in unitatea de timp.

Pentru figura 1.7, avand in vedere c 3 goluri g trec de la stanga la dreapta prin suprafata si doi electroni e trec de la dreapta spre stanga, rezult c prin suprafata trece o sarcin lectric pozitiv egal cu sarcina electric transportat de un gol (qp = - qe = 1,6 1023 C). Dac considerm c situatia se mentine dinamic pentru un interval de timp de 1 secund, prin suprafat va circula un curent electric de conductie, cu sensul de la stanga spre dreapta, cu intensitatea de 1,6 10-23 A.

Conductia curentului este realizat de goluri (legturi covalente nesatisfcute) prin intermediul electronilor prinsiin legturi covalente ale atomilor invecinati golului. Un electron dintro legtur covalent, datorit unei forte (spre exemplu datorit fortei determinate de un 6

camp electric), pleac din legtur si se pozitioneaz la atomul cu legtur covalent nesatisfcut. Golul din pozitia veche nu mai exist - legtura a fost refcut de electronul sosit, dar apare un gol in pozitia din care aplecat electronul. Aceast deplasare este echivalent cu deplasarea golului in sens invers miscrii electronilor. Electronul care s-a deplasat si a ocupat legtura covalent nesatisfcut are o energie aflat in BV. In conditiile in care legtura covalent nesatisfcut (golul) este ocupat de un electron a crui energie este in banda de conductie BC procesul se cheam de recombinare. Electronul nu a plecat dintr-o legtur covalent, ca s determine formarea unui nou gol.Dispare, pentru procesul de conductie, atat electronul cat si golul, pentru c electronul liber a fost prins in legtura covalent nesatisfcut numit gol. La temperatura camerei, numrul de electroni liberi este egal cu numrul de goluri, pentru c fiecare electron devenit liber a plecat dintr-o legtur covalent care a devenit nesatisfcut (gol). Concentratia de electroni liberi n0egal cu concentratia de goluri p0 se numeste concentratie intrinsec ni. n0 = p0 = ni [numr de purttori/cm3]. S-au folosit notatiile n0 si p0 cu indice zero pentru a specifica faptul c semiconductorul se afl la echilibru termodinamic. Cele dou concentratii fiind egale semiconductorul este electric neutru. Concentratia intrinsec poate fi exprimat in principal in functie de ltimea benzii interzise W si de temperatura T, prin relatia

In relatie intervine constanta lui Boltzman (k = 1,38 10-23 J/K) si o constant (A) care s preia influentele factorilor nespecificati. Orientativ in cazul unui semiconductor din Si, aflat la T = 300 K, care are o concentratie de atomi ni = 1022 atomi/cm3, concentratia intrinsec este ni 1,5x1010 = purttori/cm3, ceea ce inseamn c la fiecare 1012 atomi exist o legtur covalent nesatisfcut (un gol) si un electron liber. Relatia dintre concentratiile purttorilor, la echilibru termodinamic, este valabil atat in cazul semiconductoarelor intrinseci cat si in cazul semiconductorilor extrinseci. Modificarea numrului de purttori se face prin: - cresterea temperaturii semiconductorului; - iradiere; - iluminare; - injectie de purttori din exterior. Primele trei metode de modificare a concentratiei intrinseci determin un aport energetic din exteriorul semiconductorului. O parte din electroni, prin acest aport energetic, isi cresc energia peste Wc, devenind electroni liberi. Se genereaz totodat si un gol datorit aparitiei unei legturi covalente nesatisfcute, legtur din care a plecat electronul respectiv. Concentratia de electroni si goluri fiind egal semiconductorul va fi tot neutru. Numrul de purttori este conditionat in principal de temperatur, pentru care concentratiile la echilibru termodinamic sunt notate n0 si p0. In conditiile in care apare o perturbare (injectie de purttori din exterior ) astfel incat s se modifice concentratia unuia dintre purttori, intervine procesul de generare sau

7

recombinare de purttori astfel incat concentratiile s revin la echilibrul stabilit de valoarea temperaturii, respectiv n0 p0. Odat cu incetarea perturbatiei semiconductorul actioneaz in scopul anulrii excesului de purttori pentru a ajunge in vechea stare de echilibru. Semiconductori intrinseci sunt folositi la realizarea rezistorilor si a termistorilor (rezistoare a cror rezistent se modific cu temperatura, proprietate utilizat la msurarea pe cale electric a temperaturii).

Semiconductori extrinseciSemiconductorul extrinsec este format dintr-un material semiconductor intrinsec in structura cruia s-au introdus elemente din grupa a III-a (Bo, Al, s.a.) sau din grupa a V-a (P, As, St, s.a.). Concentratiile de elemente strine, voit introduse, sunt foarte mici (1012...1018 atomi/cm3) in raport cu numrul atomilor semiconductorului ( 1022 atomi) motiv pentru care sunt numite impuritti [8]. Semiconductorul de tip N este realizat prin introducerea de elemente din grupa a V-a ceea ce conduce la prinderea in legturi covalente a 4 electroni ai impurittii cu atomii semiconductorului de baz rmanand un electron foarte slab legat de atomul de impuritate, care electron la temperatura camerei este electron liber (are energia in BC). Impurittile din grupa a V-a sunt donoare (de electroni) si introduc un nivel energetic apropiat de banda de conductie Wc notat Wn in figura 1.8.

Notm cu ND =1014 ...1018 [atomi/cm3] concentratia de impuritti introdus. Impurittile fiind ionizate (au pierdut un electron) vor modifica numai concentratia de electroni liberi

Tinand seam de relatia dintre concentratiile la echilibru se obtine

Semiconductorul se numeste N pentru c, conductia curentului electric este asigurat in principal de electroni si anume de electronii liberi furnizati de impuritti. Semiconductorul de tip P realizeaz prin introducerea in structura semiconductorului de baz de elemente din grupa a III-a, ceea ce face ca cei 3 electroni ai impurittii s formeze legturi covalente cu atomii semiconductorului, rmanand o legtur covalent nesatisfcut. 8

Impurittile introduc un nivel energetic Wp in banda interzis a semiconductorului de baz, nivel apropiat de limita benzii de valent WV, ca in figura 1.9.

Notand cu NA concentratia de impuritate introdus, obtinem concentratiile de purttori in semiconductorul de tip P

Semiconductorii intrinseci se numesc de tip P si de tip N dup semnul sarcinii purttorilor majoritari, respectiv golurile de sarcin pozitiv (pentru P) si electronii de sarcin negativ (pentru N). Nivelul Fermi WF, este acel nivel energetic sub care se gseste energia tuturor electronilor unui solid in conditiile in care temperatura acestuia este de zero grade Kelvin. Concentratia purttorilor de sarcin poate fi exprimat in functie de pozitia nivelului Fermi prin relatiile

care verific conditia de echilibru termodinamic ( n p = ni2 ). Deoarece nivelul Fermi al semiconductorului intrinsec este la jumtatea benzii interzise se noteaz acest nivel cu

In functie de nivelul intrinsec pot fi exprimate concentratiile purttorilor pentru semiconductorul extrinsec

Se remarc faptul c la semiconductorii extrinseci nivelul Fermi este diferit de nivelul Fermi al semiconductorului intrinsec, fiind tras de impuritti.

SEMICONDUCTOARE CU IMPURITATI

9

Tipul conduciei electrice intr-un semiconductor poate fi determinat i de prezena i de natura atomilor strini (impuriti) n reeaua sa cristalin. Procesul (tehnologic) de impurificare a unui semiconductor se numete dopare (sau dotare). Nivelele normale de dopare sunt foarte mici, de ordinul un atom de impuritate la 104 107 atomi de semiconductor din cristal. n reeaua cristalin se pot introduce dou tipuri de impuriti: a) dac n cristalul de germaniu se introduc atomi pentavaleni (de exemplu, arseniu), numai 4 din cei 5 electroni de valen se leag covalent cu atomii vecini de germaniu, iar cel de-al cincilea se desprinde de atomul de impuritate i devine electron liber (fig. 2.3).

Pentru ca el s devin electron de conducie, este suficient o energie n jur de 0,01 eV, la Ge, respectiv 0,05 eV, la Si, capabil s-l desprind de atom. La temperatura camerei, practic toi aceti ai 5-lea electroni devin electroni de conducie. Electronul cedat nu las ns o legtur nesatisfcut; atomul de arseniu (As) devine ion pozitiv (devenind purttor de sarcin imobil). Impuritile pentavalente creeaz deci, n reeaua cristalin a germaniului un singur fel de purttori mobili de sarcin: electroni. Impuritile care permit astfel de cedri de electroni liberi se numesc donori, iar semiconductorul cu atomi de impuritate donori se numete semiconductor extrinsec de tip n (negativ). n semiconductorul extrinsec de tip n, nn0 reprezint concentraia total de electroni liberi la echilibru termic, provenii att de la atomii de impuritate, ct i datorit agitaiei termice a reelei, care genereaz perechi electron-gol. n acest caz, nn0 >>p0 i semiconductorul are conductivitatea electric mult mai mare dect conductivitatea aceluiai semiconductor n stare pur. Deoarece conducia n acest caz se face n principal cu electroni, ea se numete conducie de tip n. n semiconductorul de tip n, electronii sunt purttori majoritari, iar golurile sunt purttori minoritari. De exemplu, la 20 C, pentru Ge pur conductivitatea are valoarea = 2,2 -1m-1, iar Ge de tip n are = 102 -1m-1. Conductivitatea semiconductorului este cu att mai mare cu ct concentraia purttorilor de sarcin liberi este mai mare. b) n cristalul de germaniu se pot introduce impuriti formate din atomi trivaleni (indiu, galiu, bor, aluminiu). i n acest caz atomii de impuritate vor ocupa n reea locul unor atomi de germaniu, avnd ns fiecare cte o legtur covalent nesatisfcut. Atomul trivalent de bor de exemplu, are lips un electron de legtur (fig. 2.4).

10

Atomul de bor poate accepta un electron provenind de la o legtur Ge - Ge a unui atom vecin. Apare un gol care tinde s se completeze prin atragerea unui electron de valen de la un alt atom de germaniu vecin. Astfel, n reeaua semiconductorului se formeaz un numr de goluri egal cu numrul atomilor de impuritate. Atomii de impuritate devin ioni negativi (fici) i poart denumirea de acceptori. Purttorii de sarcin mobili majoritari sunt n acest caz golurile iar purttorii mobili de sarcin minoritari sunt electronii liberi provenii din generarea de perechi electron-gol, pe seama fluctuaiei energiei de agitaie termic a reelei. Deci, np0 >> n0 i avem conducie de tip p.

ELEMENTE SEMICONDUCTOARE Urmtoarele elemente (ordonate dup grupe) au proprieti semiconductoare tipice: Grupa 3: B; Grupa 14: C (diamant), Si, Ge, Sn (Sn-); Grupa 15: P (P negru), As, Sb (depus n vid); Grupa 16: S, Se, Te; Grupa 17: I.

MATERIALE SEMICONDUCTOARESemiconductoare: materiale solide sau lichide cu o conductivitate electric intermediar ntre materialele conductoare i cele izolatoare conductoare (metale): rezistivitatea

11

variaz ntre 10-6 si 10-4 ohmcm rezistivitatea izolatorilor (diamant, cuar) este intre 1010 si 1020 ohmcm Materialele semiconductoare (siliciul i germaniul): rezistiviti intermediare (sute sau mii ohmcm); se gsesc pe coloana a IV-a a tabelei Mendeleev, avnd patru electroni de valen. Modificarea comportrii materialelor semiconductoare se face prin adugare de impuriti, prin procesul de dopare. Tipuri de materialele semiconductoare: - tip n, unde electronii sunt in exces; obinute prin adugarea de impuriti precum fosforul, arseniul, elemente care se gsesc pe coloana a V-a - tip p, unde purttorii de sarcin n exces sunt cei pozitivi (goluri); obinute prin adugarea de impuriti precum borul sau aluminiul, aflate pe coloana a III-a i avnd trei electroni de valen Materialele semiconductoare au 4 electroni de valenta si au nevoie de o mica energie pentru a deveni liberi. Dintre acestea fac parte materialele pure cum ar fi:Ge,Si,Se ,Telur si compusi ale acestora. Conductivitatea la aceste materiale este de 2 feluri: -conductivitate intrinseca -conductivitate extrinseca Conductivitatea intrinseca Se refera la materialul pur,fara impuritati,cum ar fi o retea cristalina de Ge .Fiecare atom de Ge este inconjurat de alti 4 atomi,fiecare atom punand in comun 2 cate 2,cei 4 electroni de valenta.Se formeaza astfel legaturi covalente si in jurul fiecarui atom de Ge cate un octet.Octetul si legatura covalenta sunt foarte stabile astfel ca la plecarea unui electron acesta devine liber lasand in urma un gol necompensat ,purtator de sarcina pozitiva.Numarul de electroni astfel formati va fie gal cu numarul golurilor.Sub influenta unui camp electric,purtatorii de sarcina,electronii liberi si golurile se vor misca in sens invers cu viteze egale. Nr.e=nr.g v.e=vg

Conductivitatea extrinseca Aceasta se obtine introducand in reteaua de Ge,cantitati mici de atomi,de alte metale,avand valenta mai mare,sau mai mica. 4+1=5>P(fosfor) 4-1=3>Al(aluminiu) Impurificand reteaua de Ge cu cativa atomi de P,avand 5 electroni de valenta,fiecare impuritate va folosi 4 electroni pentru realizarea octetului,al 5-lea putand parasi usor atomul devenind electron liber fara a lasa in urma gol,pentru ca nu a plecat din legatura covalenta. Se pot forma si perechi de electroni si goluri,daca pleaca electroni din legaturi covalente.In total numarul de electroni liberi formati este mai mare decat numarul de goluri,conductivitatea fiind de tip n(de la sarcina purtatorilor majoritari).

COMBINATII BINARE SEMICONDUCTOARE

12

Diferite elemente se pot combina pentru a forma compui care apoi cristalizai s aib proprieti semiconductoare. Combinaiile binare (compui chimici n a cror structur molecular intr dou tipuri diferite de atomi) sunt prezentate n continuare. Cele mai importante combinaii binare semiconductoare sunt de forma A13B15 unde A13 este unul din elementele grupei 13 (B, Al, Ga, In, Tl) iar B15 unul din elementele grupei 15 (N, P, As, Sb, Bi). Aceste combinaii i mediaz numrul de electroni la numrul de electroni al elementelor grupei 14, ceea ce face ca structura cristalin i proprietile semiconductoare s fie asemntoare cu ale elementelor grupei 14. Dup cum se poate observa din tabelul cu benzile interzise, borurile i nitrurile au un pronunat caracter dielectric (E mare). De asemenea, ele au o mare stabilitate i duritate. Dintre combinaiile A14B14 doar SiC prezint interes pentru semiconductibilitate. El prezint dou forme alotropice -SiC i -SiC. Compuii semiconductori de tipul A22B14 se formeaz ntre Mg i Ca (A = Ca, Mg) i elemente ale grupei 14 (B = Si, Ge, Sn, Pb). Compuii magneziului au i proprieti termoelectrice i fotoelectrice deosebite i se folosesc de asemenea ca catalizatori n sinteze organice. Dintre compuii de tipul A31B15 prezint proprieti semiconductoare Li3Bi, Cs3Sb i Cs3Bi. Au fost studiate i proprietile semiconductoare ale compuilor de tipul A1B15, cum este cazul NaSb, KSb i CsSb. Proprietile semiconductoare ale compuilor de tipul Ax(2)By15, unde A(2) este un metal cu valena 2 au fost descoperite nainte de cele ale germaniului i siliciului. Compuii semiconductori de tipul A(2)B16 au proprieti electrice i optice deosebit de interesante. Sulfura de zinc (ZnS blenda, ZnS wrtzit) se apropie n ceea ce privete valoarea benzii interzise de un izolator. i rezistivitatea electric are valori mari pentru acest compus: 108 1014 cm. Ei prezint interes tiinific i aplicativ deosebit (fotorezistori, celule solare, etc.). Compuii de tipul A14(2)By16, adic sulfurile, seleniurile i telururile de Ge, Sn i Pb prezint importante proprieti fotoelectrice i de redresare. n anumite condiii unii compui din aceast clas ca GeSe prezint o dependen de temperatur a conductibilitii electrice ca la metale (coeficient negativ de temperatur). La aceti compui apar abateri de la stoechiometria 1:1, modificare ce influeneaz puternic proprietile electrice (modific n limite largi valorile rezistivitii electrice, concentraiei i mobilitii purttorilor i chiar tipul de conducie). Compuii de tipul A215B316 au structur cristalin cu simetrie joas (structuri monoclinice sau romboedrice) i din acest motiv prezint o puternic anizotropie a proprietilor. Monocristalele acestor compui sunt formate din lanuri i straturi de atomi. ntre atomii aceluiai lan sau strat se stabilesc legturi covalente, iar ntre straturi i lanuri legturile sunt Van der Waals. De aici rezult puncte de topire mici, i tehnologiile de fabricaie a semiconductorilor bazai pe aceti compui exploateaz acest avantaj. Ei se obin prin sintez direct a componentelor n capsule din cuar nchise. Din acelai motiv, au proprieti termoelectrice de mare interes (termoelemente, frigidere). Valoarea Seebeck este coeficientul de temperatur al conductibilitii. Compuii de tipul A213B16 au defecte de structur. n funcie de metoda de preparare i tratamentul ulterior eantioanele preparate prezint diferite concentraii de defecte structurale: atomi lips, atomi interstiiali, neuniformiti. Majoritatea acestor compui cristalizeaz ntr-o reea n care 1/3 din poziiile ce ar reveni atomilor A13 sunt vacante i fiecare al 3-lea nod al structurii spaiale rmne vacant. Datorit acestei regulariti a defectelor, ele se numesc vacane stoechiometrice. n comparaie cu celelalte tipuri de defecte, defectele stoechiometrice sunt stabile cu temperatura. In2Te3 prezint dou forme de cristalizare ( i ) i tranziia se petrece cnd temperatura atinge valoarea de 550 C. Mobilitile purttorilor de sarcin sunt mici i depind

13

puin de temperatur i sunt puin influenai de prezena impuritilor n structur (prezena a 1% Mg, Cd, Hg, Si, Ge, Sn, Cu nu modific tipul conduciei). ntre elementele grupelor 13 i 16 se pot forma i compui de tipul A13B16, cu proprieti semiconductoare tipice. Conducia prin goluri, valorile mari ale coeficientului Seebeck sunt caracteristici ale acestor compui folosii n special pentru generatoarele termoelectrice. Elementele tranziionale pot forma compui semiconductori, numii compui cu metode de tranziie. Studii sistematice asupra acestora au nceput n anul 1960. Principalele particulariti deriv din prezena orbitelor d incomplete. Aceti compui deschid un nou domeniu n tehnica materialelor semiconductoare la temperaturi nalte. Au fost studiai FeSe2, FeTe2, MnTe2, CrTe2, CoSb3, CrS, CrSe, CrTe, MnTe, FeTe, FeS.

Alte Combinatii SemiconductoareSe obin compui semiconductori i prin amestecarea a mai mult de dou elemente, cum este cazul compuilor ternari i cuaternari. Studiindu-se structura cristalin a compuilor semiconductori binari s-au observat o serie de regulariti care au servit apoi la descoperirea de noi materiale semiconductoare. Un exemplu n acest sens este i corelaia n proprieti i structur pentru seriile: Ge, GaSe, ZnSe, CuBr; -Sn, InSb, CdTe, AgI Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, Mg2Pb Se obin compui ternari i cuaternari n mod uzual prin substituii n structura unor compui binari analogi. De exemplu, substituind Ga cu In i Ge n structura GaAs (E = 1.35 eV) se obine InGeAs2 (E = 1.1 eV). Compuii cuaternari studiai pn n prezent sunt: Cu2FeSnS, Cu2FeSnSe4, Cu2FeGeSe4, Cu2NiGeSe4, Ag2CdSnTe4, Cu2ZnSnTe4 i Cu2ZnGeSe4. Nu se pot ns obine compui cu numr mare de componeni deoarece odat cu creterea numrului de atomi, structura devine instabil.

ALIAJE SEMICONDUCTOAREDac la compuii semiconductori compoziia era bine definit printr-un raport de numere ntregi de combinare aliajele semiconductoare sunt materiale caracterizate prin compoziii variabile ntr-un domeniu larg. Sunt 3 categorii de aliaje semiconductoare: ntre semiconductori elementari, ntre semiconductori elementari i compui semiconductori, ntre compui semiconductori. Dintre aliajele ntre semiconductori elementari au fost studiate n special aliajele B-Si, C-Si, Ge-Si, Ge-Te: B-Si: Borul influeneaz mult proprietile semiconductoare ale Si. Introducerea n monocristalul de Si a 510-4 % B determin o micorare a rezistivitii de 2105 ori. Dac coninutul de B este de 0.1-1.0 % coeficientul de temperatur al aliajului devine pozitiv. Adaosul de B confer Si o conducie de tip p. C-Si: Amestecul dintre C i Si duce la formarea unui aliaj stabil cu remarcabile nsuiri semiconductoare. Ge-Si: Aliajul Ge-Si are o importan deosebit. Dependena de compoziie a lrgimii benzii interzise (figura), a mobilitii purttorilor de sarcin i stabilitatea la solicitri termice 14

permite utilizarea aliajelor Ge-Si la o gam larg de dispozitive semiconductoare. n aceste aliaje se mbin avantajele Si (bun stabilitate termic) cu cele ale Ge (lucru la frecvene nalte). Aliajele dintre compuii semiconductori n general sunt complet miscibili n orice raport de combinare i formeaz soluii solide la cristalizare. Formarea soluiilor solide omogene este favorizat de diferena de electronegativitate mare a atomilor constitueni i de diferena mic a razelor atomice. Sticle semiconductoare Studii efectuate pe diferite aliaje de compui semiconductori arat c nu toate au structuri cristaline, ceea ce este pus n eviden prin prezena unui interval de nmuiere n locul temperaturii de topire. Aceste aliaje au aplicaii de natur fotoelectric i termoelectric i majoritatea au conducie p. Formula general a acestor aliaje este ()A(1-)B, unde A = Te2Se3, Tl2SAs2Se3, Sb2Se3, Tl2Se3, As2Te3, As2S3, Sb2S3 i B = As2Se3, Tl2SeAs2Te3, Tl2TeAs2Se3. Semiconductori oxidici nc din 1926 a fost construit redresorul cu CuO2, iar n 1930 se construiete un fotoelement cu acelai CuO2. Ulterior au fost descoperii i ali oxizi cu proprieti semiconductoare: ZnO, TiO2, UO2. Se mpart n semiconductori: oxidici binari, feromagnetici, feroelectrici. CuO2 are lrgimea benzii interzise de 1.5 eV i posed o conducie de tip p datorit excesului de oxigen peste compoziia stoechiometric normal (CuO). UO2 posed n condiii normale o conducie de tip p i datorit stabilitii termice i coeficientului termic al conductibilitii electrice mare a fost primul material semiconductor pentru confecionarea termistoarelor. ZnO i CdO au conducii electronice iar proprietile electrice sunt mult influenate de excesul de oxigen peste compoziia stoechiometric.Semiconductorii feromagnetici (discutai la ceramici) clasifica dup structur (tabel) Principalii semiconductori feroelectrici sunt: BaTiO3, CdTiO3, PbTiO3, PbZrO3, PbHfO3, (PbBa)SnO3, KTaO3, NaNbO3, KNbO3, PbNb2O6, PbTaO6, Pb3MgNb2O6, PbScNb2O6, Pb2ScTaO6, Pb2FeNbO6. Semiconductori lichizi & organici Elemente semiconductoare i pstreaz proprietatea de semiconductibilitate la topire. Este cazul Se i Te. Se devine lichid la 217C i i mbuntete proprietile semiconductoare (energia de activare scade de la 2.3 eV la 1.7 eV, rezistena crete de 3104 ori. i pstreaz proprietile semiconductoare pn la 800 C. Te se topete la 452 C i pstreaz proprietile semiconductoare pn la 550 C, dup care capt caracteristici metalice. Te2S3, Bi2S3, Sb2S3, Sb2Se3 prezint doar variaii mici ale rezistivitii electrice la topire i au caracteristici semiconductoare i n faz lichid. Semiconductori necristalini Deoarece multe substane i pstreaz proprietile semiconductoare n stare amorf sau lichid, rezult c semiconductibilitatea depinde n mare msur de dispunerea relativ a atomilor vecini (ordine local) i n mai mic msur de periodicitatea unei anumite reele (ordine la distan). Avantajul folosirii materialelor semiconductoare necristaline este n principal de natur optoelectronic, datorit izotropiei pe care o genereaz absena ordinii la distan i prezena ordinii locale pe parcursul a doar ctorva constante de reea.

15

S-au obinut semiconductoare necristaline sub form de depuneri subiri prin condensarea vaporilor pe supori suprarcii. Aa este cazul Si, Ge, As2Se3 i a compuilor de tipul A13B15.

EFECTUL HALLEfectul Hall cost n apariia unui cmp electric suplimentar ntr-un conductor sau semiconductor prin care circul un curent electric, atunci cnd conductorul se afl ntr-un cmp magnetic perpendicular pe direcia curentului electric. Considernd curentul electric determinat de micarea unor purttori de sarcin pozitiv q, fora Lorentz care acioneaz asupra fiecrui purttor este: FL=qvB i determin deviaia lateral a fluxului de purttori mobili, ducnd la crearea unui cmp electric transversal E, care acioneaz n sens invers forei Lorentz. Se ajunge foarte rapid la o stare staionar n care fora Lorentz este echilibrat de fora datorat cmpului electric transversal: q.E=q.v.B Presupunnd cmpul uniform n interiorul conductorului, atunci:

Tensiunea creat transversal se poate scrie: Cunoscnd c intensitatea curentului electric se poate exprima n funcie de viteza purttorilor de sarcin prin relaia: Dup substituirea vitezei v se obine expresia tensiunii:

Aceast tensiune se numete tensiune Hall

Remarcabil este influena grosimii conductorului (h) asupra tensiunii Hall ceea ce impune utilizarea unor conductoare cu grosimi foarte mici pentru evidenierea acestui efect. Traductoarele Hall se folosesc la msurarea induciei cmpurilor magneti-ce sau la transformarea unui semnal magnetic ntr-unul electric.

16

JONCTIUNEA p-n

Figura 2.1. Jonciunea p-n

Figura 2.2. Jonciunea p-n nepolarizat Jonciunea p-n Luate separat, cristalele semiconductoare de tip n sau p se comport practic n acelai mod ca i rezistoarele, singura diferen fiind dat de modul de variaie al rezistenei cu temperatura. Dac ns ntr-unun acelai cristal semiconductor exist dou zone vecine cu conducii diferite, comportarea sistemului se modific radical. Spunem c avem de-a face cu o jonciune p-n.

17

Jonciunea p-n reprezint zona care ia natere la contactul dintre un semiconductor de tip p i unul de tip n, aflate n contact metalurgic. Procesele care au loc n zona de contact sunt exemplificate n fig.2.6. Datorit diferenei mari de concentraii de electroni i goluri, apar cureni de difuzie dinspre o zon spre alta. n zona jonciunii, electronii se recombin cu golurile, ceea ce conduce la formarea de ioni negativi n zona p (datorit ocuprii golurilor cu cte un electron) i a ionilor pozitivi n zona n (datorit faptului c atomii donori pierd cte un electron). Aceste dou straturi de ioni dau natere unui cmp electric intern, care mpiedic difuzia n continuare a purttorilor i sistemul ajunge la echilibru. Zona jonciunii, aproape complet lipsit de purttori mai poart numele de zon de srcire.

Potenialul care ia natere n zona jonciunii se numete potenial de barier. La temperatura camerei, potenialul de barier este de 0,3 V pentru germaniu i 0,7 V pentru siliciu.

POLARIZAREA JONCTIUNII p-nn figura 2.7.a este prezentat un circuit n care un cristal care conine o jonciune p-n este conectat la o surs de tensiune, cu plusul sursei la zona p a cristalului. O astfel de polarizare a jonciunii poart numele de polarizare direct. Potenialul sursei de tensiune este n sens opus potenialului de barier, ceea ce nseamn c purttorii sunt respini de ctre jonciune ntr-o msur mai mic. Dac tensiunea de polarizare depete 0,7 V, purttorii pot trece dintr-o zon n alta fr restricii, zona de srcire devine foarte ngust, iar curentul crete foarte mult. Spunem c jonciunea este n conducie. n figura 2.7.b, cristalul este polarizat cu minusul la zona p, iar polarizarea se numete invers.

18

De data aceasta, tensiunea aplicat din exterior are o astfel de orientare nct mrete potenialul de barier. Lrgimea jonciunii crete, iar probabilitatea ca purttorii majoritari s o traverseze scade. n ambele tipuri de polarizri, purttorii minoritari pot trece prin jonciune. Valoarea curentului determinat de acetia la polarizarea direct este neglijabil, ns la polarizarea invers, acetia determin practic tot curentul care traverseaz jonciunea, chiar dac acesta are o valoare foarte mic. Curentul determinat de purttorii minoritari la polarizare invers se numete curent de saturaie. Numele acestuia provine din faptul c valoarea acestuia este practic constant, indiferent de tensiunea invers de polarizare, atta timp ct nu apar alte fenomene n jonciune, cum ar fi strpungerea.

O caracteristic I-V tipic pentru o jonciune p-n este prezentat n figura 2.8. Se poate observa caracterul neliniar al acesteia, comportarea complet diferit a jonciunii la polarizare direct i invers i existena fenomenului de strpungere.

19

Strpungerea diodei apare cnd tensiune de polarizare invers depete o valoare care depinde de tipul jonciunii, dar este n general de peste 50 V. Strpungerea se datoreaz fenomenului de multiplicare n avalan. Explicaia acestui fenomen este urmtoarea. La creterea tensiunii de polarizare invers, purttorii minoritari sunt accelerai din ce n ce mai mult, devenind importante ciocnirile acestora cu atomii semiconductorului. Datorit faptului c energia de impact este mare, n urma ciocnirilor sunt eliberai purttori liberi. Acetia sunt accelerai la rndul lor de cmpul aplicat i produc alte ciocniri. n momentul n care fiecare electron are suficient energie pentru a produce doi sau mai muli electroni liberi, curentul crete exponenial ntr-un timp foarte scurt. Datorit efectului termic, temperatura materialului crete, conducnd la o cretere i mai mare a curentului, pn cnd acesta se distruge termic (se arde). Trebuie subliniat faptul c exist dispozitive care folosesc n funcionare tocmai fenomenul de strpungere, realizat prin mecanisme nedistructive.

Polarizarea jonciunii p n; a) jonciunea p n nepolarizat; b) jonciunea p n polarizat direct; c) jonciunea p n polarizat invers

Influena temperaturii n funcionarea oricrui dispozitiv semiconductor temperatura joac un rol foarte important. Modificrile importante de conducie datorate variaiilor de temperatur se reflect n aspectul caracteristicii electrice. n fig.2.9 este reprezentat aceast influen a temperaturii.

20

n esen, modificrile induse la creterea temperaturii sunt urmtoarele: tensiunea de deschidere scade, curentul de saturaie crete, tensiunea de strpungere crete de asemeni, n valoare absolut.

Jonctiunea p-n Polarizata Direct O tensiune electric Ua aplicat cu plus la zona p i cu minus la zona n, determin apariia unui cmp electric de sens opus cmpului electric intern, astfel nct bariera de potenial scade de la valoarea U0 la valoarea U0-Ua. Curentul prin jonciune este practic egal cu curentul de difuzie, format din purttori majoritari, reprezentnd curentul direct al jonciunii.

Figura 2.3. Jonciunea p-n polarizat direct

Jonctiunea p-n Polarizata invers

21

Dac tensiunea aplicat Ua < 0, cmpul electric extern are acelai sens cu cmpul electric intern, astfel nct bariera de potenial crete.

Figura 2.4. Jonciunea p-n polarizat invers

Curentul de difuzie scade practic la zero, iar prin jonciune va circula curentul de purttori minoritari ic, care este foarte mic i reprezint curentul invers al jonciunii.

DIODE SEMICONDUCTOARE

22

Diodele semiconductoare sunt dispozitive electronice formate dintr-o jonciune pn, dou contacte metal semiconductor nchise ermetic ntr-o capsul metalic sau din material plastic prevzut cu dou terminale. Terminalul corespunztor regiunii de tip p se numete anod (A), iar cel corespunztor regiunii de tip n se numete catod (K). Diodele se folosesc ca elemente fizice de circuit asigurnd o conducie unidirecional. Regimul de conducie are loc doar atunci cnd dioda este polarizat direct (+ pe anod i pe catod). Caracteristica unei diode semiconductoare este prezentat n fig.1.1.

23

Se disting 3 zone de funcionare ale diodei: I zona de conducie direct

unde: n coeficient ntre 12

II zona de blocare corespunztoare polarizrii inverse a diodei

IS depinde de concentraia purttorilor minoritari la echilibru care depind de materialul utilizat i de tehnologia de realizare. Curentul tipic de saturaie al jonciunii pentru diodele cu siliciu este:

III zona de strpungere Prin multiplicare n avalan curentul crete foarte mult iar tensiunea rmne practic constant, fapt folosit la realizarea diodelor Zener. Un alt parametru care caracterizeaz diodele semiconductoare este rezistena diferenial.

Unde ID este curentul corespunztor punctului static de funcionare. Simbolul, schema echivalent de curent continuu i caracteristica static a unei diode redresoare sunt prezentate n fig.1.2 a,b,c.

24

Datele de catalog cele mai importante pentru o diod redresoare sunt: I0 curentul mediu redresat VRM tensiunea direct maxim admis VBR tensiunea invers de strpungere VRM = (0,50,8)VBR

TIPURI DE DIODE SEMICONDUCTOARE

n industrie se folosesc mai multe tipuri de diode semiconductoare, dintre care amintim: dioda redresoare, dioda de comutaie, dioda cu contact punctiform, dioda stabilizatoare (Zener), dioda varicap, dioda tunel, fotodioda, dioda electroluminiscent, dioda laser. Cele mai des folosite diode semiconductoare sunt diodele redresoare . Ele funcioneaz datorita proprietii de a se comporta diferit la tensiuni de polarizare directe i tensiuni de polarizare inverse. Astfel la tensiuni de polarizare directe rezistena direct este foarte mic iar la polarizarea invers rezistena invers este foarte mare.

25

Datorit acestei proprieti ca la aplicarea unei tensiuni alternative ele funcioneaz pe alternana pozitiv conducnd un curent mare (de ordinul mA sau A). Pe alternana negativ se vor bloca lsnd s treac cureni foarte mici de ordinul mA sau A care pot fi neglijai. Acest proces de transformare a unui semnal alternativ ntr-un semnal continuu poarta numele de REDRESARE . Aceste diode sunt folosite la construcia redresoarelor care lucreaz cu semnale mari i frecvene mici (50Hz )

Diodele RredresoareSe construiesc (sau s-au construit) cu germaniu, siliciu, iar la puteri mici, cu seleniu. Diodele de putere medie i mare au o construcie care permite montarea lor pe radiatoare, pentru a crete suprafaa de disipare a cldurii. - cele cu siliciu au urmtoarele avantaje fa de cele cu germaniu: -Curentul invers este mult mai mic. -Tensiunea de strpungere este mult mai mare - Temperatura maxim de lucru de 190 grade fa de 90 grade la germaniu Dezavantaj- se consider tensiunea de deschidere puin mai mare. Performanele unei diode redresoare sunt caracteristice prin 2 mrimi limit care nu trebuie depite n timpul funcionrii : -Intensitatea maxim a curentului direct -Tensiunea invers maxim. Principalii parametri ai diodelor redresoare sunt: curentul mediu redresat, I0; curentul direct de vrf repetitiv, IFRM; tensiunea invers de vrf repetitiv, URRM; temperatura maxim a jonciunii, Tj max; rezistena termic, Rth care determin transferul de cldur n exterior. La diodele cu siliciu, curentul mediu redresat poate atinge valori de sute sau chiar mii de amperi, cu tensiuni inverse de vrf repetitive de mii de voli, temperatura de lucru maxim a jonciunii fiind de 150 C. La diodele cu germaniu, valorile de curent i tensiune sunt mai mici i temperatura maxim de lucru a jonciunii este de 80 C. Diodele redresoare se folosesc pn la frecvene de cca. 1020 kHz, deoarece la frecvene nalte, capacitatea de barier produce un puternic efect de untare a rezistenei inverse i proprietile de redresare sunt diminuate (sau chiar dispar).

Dioda Stabilizatoare (ZENER)Dac o diod este polarizat invers, pn la o anumit valoare a tensiunii pe jonciune curentul prin ea este foarte mic (IS). Dac tensiunea invers crete mai mult, la o valoare a ei care depinde de tipul de diod, curentul poate crete foarte rapid i jonciunea se poate distruge. Exist ns diode la care acest curent invers poate fi controlat n anumite limite i dioda polarizat invers este folosit ca stabilizatoare de tensiune sau ca referin de tensiune. Acest lucru este posibil deoarece n timp ce curentul invers poate varia n limite largi, tensiunea pe jonciunea polarizat invers rmne aproape constant (fig.2.10). Aceast tensiune este numit tensiune de stabilizare sau tensiune Zener (UZ).

26

Exist dou mecanisme de cretere a curentului la o valoare dat a tensiunii inverse. Unul dintre ele este multiplicarea n avalan a purttorilor de sarcin, mecanism prin care purttorii primari, accelerai ntre dou ciocniri de ctre cmpul electric intens, determin apariia purttorilor secundari, teriari i aa mai departe. Al doilea este efectul Zener n care purttorii de sarcin sunt generai chiar de ctre cmpul electric care se creeaz n jonciune. Efectul Zener se poate produce dac exist o dopare foarte mare a semiconductorului corelat cu un cmp electric foarte intens. Dac intensitatea curentului invers crete necontrolat atunci structura semiconductoare se nclzete i are loc distrugerea jonciunii prin ambalare termic. Pentru evitarea acestui proces, n circuitul de polarizare a diodei se va conecta ntotdeauna o rezisten de limitare a curentului.

Principalii parametri caracteristici ai diodei stabilizatoare sunt: tensiunea de stabilizare UZ, cuprins n intervalul 2 180V. curentul invers maxim IZmax, determinat de puterea maxim pe care o poate disipa jonciunea. Ea depinde de tipul de diod i este n jurul valorii de 10W. 27

rezistena intern rZ, cu valori de la civa , la cteva zeci de . Ea este definit pe poriunea liniar din jurul tensiunii de stabilizare ca:

(2.15) Cea mai simpl modalitate de folosire a diodei ca element de stabilizare a tensiunii este prezentat n fig.2.11. n schem, rezistena de sarcin RS pe care dorim o tensiune constant este conectat n paralel cu dioda stabilizatoare. Totodat, n circuitul de polarizare a diodei este prezent i rezistena de limitare a curentului, Rl. n practic se lucreaz cu

O msur a nivelului de stabilizare a tensiunii de ieire este factorul de stabilizare S, definit ca:

(2.16) Expresia lui poate fi dedus scriind prima lege a lui Kirchhoff pe circuitul din fig.2.11: (2.17) Difereniind ecuaia (2.17) i innd seama de faptul c (2.18) mprind ecuaia (2.18) cu i innd seama de faptul c i de relaia (2.15), se obine expresia final a factorului de stabilizare: (2.19) Se poate observa c factorul de stabilizare este cu att mai mare cu ct rZ < Rl. , obtinem:

Dioda cu Contact PunctiformEste folosit pentru frecvene nalte. Este alctuit din:

28

- o capsul de sticl strbtut de 2 electrozi metalici. La captul unui electrod se gsete un monocristal de germaniu (semiconductor de tip n). Cellalt electrod se continu cu un conductor de wolfram care vine n contact cu monocristalul. Dac se trece un impuls de curent scurt dar puternic la contactul dintre conductori i monocristal n interiorul acestuia din urm se formeaz o regiune de tip p . Apare astfel o jonciune de tip p-n de suprafa foarte mic, cu o capacitate foarte mic ( < 1pF ) Datorit acestei jonciuni dioda funcioneaz la frecvene foarte nalte. Acest tip de diod poate fi folosit ca detector, schimbtor de frecven sau ca diod de comutaie.

Dioda VaricapSunt diode cu jonciune care funcioneaz n regim de polarizare invers pn la valoarea de strpungere .

Aceste diode utilizeaz proprietatea jonciunii p-n de a se comporta ca o capacitate ce depinde de tensiunea continu de polarizare invers (acesta este capacitatea de barier). Aceast posibilitate de a varia o capacitate ntr-un circuit prin varierea unei surse de polarizare este necesar n circuitele de schimbare a frecvenei. Circuitele de reglaj automat al frecvenei precum i modulaia frecvenei. Diodele varicap au capaciti de ordinul pF sau zecilor de pF i se construiesc din siliciu pentru a avea o rezisten intern mai mare n polarizarea invers. n acest fel ele pot fi asimilate cu un condensator cu pierderi neglijabile.

Dioda Tunel

Are o concentraie mare de impuriti ducnd la micorarea limi regiunii de trecere pn la (10la-2 microni). Datorit acestei limi mici o variere de potenial; apare un fenomen numit efectul tunel. Datorit acestui efect electronii pot nvinge bariera de potenial chiar dac lipsete energia suplimentar.

29

Datorit acestui efect apare curentul tunel care se suprapune peste curentul normal al unei jonciuni p-n modificnd caracteristica curent-tensiune, caracteristic ce se deosebete de cea a unei diode semiconductoare prin:- n regiunea de polarizare invers dependena curenttensiune este liniar deci dioda nu prezint conducie unilateral - n regiunea polarizrii directe pentru valori mici ale tensiunii caracteristica are form de N. Aceast caracteristica arat ca pe o anumit poriune la creteri ale tensiunii corespund micri ale curentului. n acest domeniu dioda prezint o rezisten negativ care de obicei este de valoarea zecilor de ohmi

Pentru o bun funcionare este de dorit ca raportul dintre curentul maxim i curentul minim s fie ct mai mare. Dac se folosete material semiconductor, arseniura de galiu acest raport depete valoare 15. Dioda tunel lucreaz la puteri mici de ordinul wailor. Caracteristica diodei nu depinde de variaiile de temperatur de aceea ea poate lucra la frecvene foarte nalte de ordinul 10 la a 4 MHz. Datorit caracteristicii n N i a funcionrii la frecvene aceast diod este folosit la realizarea urmtoarelor circuite: - Amplificatoare de frecvene foarte nalte - Oscilatoare de frecvene foarte nalte - Circuite basculante monostabile, bistabile i astabile Dezavantajul diodei tunel este c are numai dou borne i deci nu se poate face separarea ntre circuitul de intrare i cel de ieire. 30

Diode Luminiscente LED Light Emitting Diode La polarizarea direct electronii din regiunea n se recombin cu golurile din regiunea p elibernd energie sub forma cldurii i a luminii Prin adugarea de impuriti in procesul de dopare se poate determina lungimea de und a luminii emise determinand in acest fel culoarea LED-ului fosfo-arseniur de galiu (GaAsP) - lumin roie sau galben fosfur de galiu (GaP) - lumin roie sau verde Tensiunea directa este mai mare dect cea corespunztoare diodelor cu siliciu (1,2V 3,2V) Curentul direct trebuie s aib o valoare relativ mare (10mA) Display cu LED-uri 7-segmente: 7 LED-uri aranjate astfel nct s poat fi afiate numerele zecimale dou tipuri: catod comun - comanda se face n anodul LED-urilor folosindu-se un semnal activ 1 anod comun - comanda se face n catodul LED-urilor folosindu-se un semnal activ 0

REDRESAREA CURENTULUI ALTERNATIVCircuitele electronice au nevoie, pentru alimentare, de tensiuni continue, dar dup cum s-a artat mai nainte, transportul energiei electrice la distan este convenabil s se realizeze sub form de curent alternativ. Apare necesitatea ca, pentru o serie de consumatori, s se realizeze transformarea energiei de curent alternativ n energie de curent continuu. Redresorul este un circuit sau un dispozitiv cruia i se aolic o

31

tensiune alternativ i care furnizeaz o tensiune continu. Majoritatea redresoarelor de curent alternativ au diode semiconductoare.

a) Redresor monoalternanRedresorul monoalternan este cel mai simplu redresor i conine un transformator care furnizeaz o tensiune alternativ corespunztoare cerinelor impuse de consumator, o diod semiconductoare care permite trecerea curentului electric numai ntr-un singur sens (curent continuu).

Dup cum se poate observa uor, prin consumator curentul circul numai n alternanele pozitive, fiind un curent continuu dar pulsator.

b) Redresor bialternanLa redresorul monoalternan, dup cum se vede, curentul este util numai n alternana pozitiv. Pentru a face util i alternana negativ se utilizeaz redresorul dublei alternane care este alctuit din dou redresoare monoalternan, conducnd curentul pe rnd n consumator.

32

c) Redresor cu punteRedresorul bialternan are dezavantajul c transformatorul trebuie s aib un secundar dublu, care s furnizeze tensiuni egale. Redresorul punte realizeaz redresarea bialternan fr s fie necesar un transformator cu secundar dublu, doar c are patru diode redresoare.

Se vede c n alternana pozitiv, curentul electric are traseul D1, R, D2, iar n alternana negativ traseul este prin D2, R, D4. Astfel, prin consumatorul R curentul circul n acelai sens i n alternana pozitiv ct i n cea negativ.

33

TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP TEC

Tranzistorii cu efect de camp se numesc astfel pentru c modificarea conductivittii (inversul rezistentei electrice) canalului se face cu ajutorul unui camp electric mai intens sau mai slab in functie de potentialul electrodului de comand, numit gril. Tranzistoarele cu efect de cmp (TEC) se bazeaz pe controlul efectuat de un cmp electric asupra curentului care trece prin dispozitiv. Curentul electric trece printr-un canal conductor, a crui conductan depinde de valoarea cmpului electric de control. Curentul este format dintr-un singur tip de purttori de sarcin, care se deplaseaz de la un capt al canalului, numit surs (S), la cellalt capt numit dren (D). Deplasarea purttorilor are loc datorit diferenei de potenial aplicat ntre dren i surs. Cmpul electric care moduleaz conductana acestui canal provine din tensiunea aplicat pe un al treilea electrod, electrodul de control, numit gril (G) sau poart (P). Tranzistoarele cu efect de cmp se mai numesc i tranzistoare unipolare, deoarece la conducia curentului electric particip un singur tip de purttori de sarcin mobili i anume purttorii majoritari din canal. Dup tipul de purttori care particip la conducia curentului electric exist dou categorii de tranzistoare cu efect de cmp: TEC cu canal n, cnd purttorii mobili sunt electronii, i TEC cu canal p la care curentul electric este dat de goluri.

34

Dup modul n care se face controlul conduciei canalului, exist dou tipuri de TEC: TEC cu jonciune, prescurtat TEC-J, i TEC cu poarta izolat numite i TEC metal-oxid-semiconductor, prescurtat TEC-MOS.

Structurile fizice pentru tranzistoarele TEC-J i TEC-MOS sunt date n figurile 2.21 a si b

Fig. 2.21

TRANZITOTUL TEC-JAre canalul dintr-un tip de semiconductor (s.ex. de tipul N) iar grila este conectat la canal prin intermediul unui semiconductor cu alt tip de purttori majoritari (pentru exemplul dat, semiconductorul grilei este de tipul P).

35

In figura 2.22 canalul este de tipul N iar grila este conectat la canal prin intermediul unui strat semiconductor de tipul P+. Tranzistorul este TEC-J cu canal n. Grila este polarizat asa fel ca jonctiunea care apare intre canal si zona semiconductoare a grilei s fie blocat (polarizare invers). Inn cazul figurii 2.22. grila trebuie s fie negativ in raport cu canalul. Jonctiunea fiind polarizat invers zona de golire se extinde mai mult in semiconductorul mai slab dopat, se extinde deci in zona canalului. Extinderea zonei de golire micsoreaz sectiunea canalului, adic micsoreaz sectiunea de trecere a electronilor care pleac de la surs, prin canal, ctre dren. Pentru c electronii trebuie s plece de la surs, campul electric din interiorul canalului trebuie s fie orientat de la dren ctre surs (electronii au sarcin negativ si se deplaseaz invers liniilor de camp). Aceast necesitate impune ca drena s fie polarizat pozitiv fat de surs.

Zona P din figura 2.22 se numeste substrat. Grila este legat la electrodul substratului SS ,asa incat sectiunea canalului s se modifice si prin intermediul acestei jonctiuni aflat in polarizare invers. In figura 2.23 este prezentat simbolul TEC-J cu canal N precum si polaritatea tensiunilor care se aplic electrozilor pentru ca s poat fi modificat curentul prin canal curentul care se inchide de la dren la surs (electronii avand sarcin negativ circul invers decat curentul pe care il determin).

36

Sectiunea canalului se micsoreaz crescand tensiunea de polarizare invers a jonctiunii gril canal.

DESCRIEREA FUNCIONRII TEC-JLa baza funcionrii TEC-J stau urmtoarele proprieti ale jonciunii pn: - regiunea de sarcin spaial se comport ca un mediu dielectric; - adncimea de ptrundere n zona n depinde de polarizarea jonciunii pn i de gradul de dopare cu impuriti a zonei n; - lrgimea canalului depinde de tensiunea de poart Up. La TEC-J electrodul de control (grila) l constituie o jonciune pn, polarizat invers. Pe un substrat puternic dopat de tip p se formeaz o zon de tip n care va constitui canalul, aa cum se poate vedea n figura 1.

Fig. 1. Structura fizic a unui TEC-J cu canal n

37

O difuzie p+ se execut pentru a realiza jonciunea pn ntre poart i canal. Se realizeaz contacte ohmice la cele dou capete ale canalului pentru surs i dren. Canalul dintre surs i dren este delimitat de regiunile de trecere ale jonciunilor pe care le formeaz cu grila i substratul. Dac aceste jonciuni se polarizeaz invers, regiunile de trecere respective se extind ptrunznd n regiunea n, ntruct aceasta este mai slab dopat cu impuriti dect celelalte zone. Astfel, lrgimea efectiv a canalului se micoreaz. Fenomenul este evideniat n figura 2, n care se consider cele dou regiuni p+ legate mpreun i canalul echipotenial. Modificarea seciunii acestui canal determin modificarea conductanei sale Gc, adic conductana msurat ntre surs i dren. Extinderea regiunilor de trecere ale jonciunilor se mrete odat cu creterea mrimii tensiunii inverse aplicate jonciunilor. Cnd aceast tensiune atinge valoarea de prag Up, regiunile de trecere fac contact obturnd canalul, a crui conductan scade la zero. Observaie: substratul este, de obicei, conectat mpreun cu poarta constituind electrodul de poart. Substratul poate constitui un al patrulea electrod, caz n care va avea rolul unei a doua pori. Efectul de cmp efectuat de electrodul gril const, deci, n variaia limii regiunii de trecere a jonciunii gril-canal n funcie de potenialul aplicat grilei.

Fig. 2. Modificarea lrgimii canalului cu potenialul aplicat grilei Dac jonciunea gril-canal este polarizat direct, prin aceast jonciune va circula un curent mare fr a determina o modificare important a conductanei canalului. Conductana canalului se poate pune n eviden prin modificarea curentului de dren Id corespunztor unei tensiuni de dren -surs mici. Se observ, ca n figura 3, c panta caracteristicii Id=f(Ud) se modific n funcie de valoarea tensiunii aplicate grilei. Se obine o rezisten comandat n tensiune. Dac tensiunea ntre dren i surs crete n continuare, dependena curentului de dren de tensiunea de dren devine neliniar datorit neechipotenialitii canalului.

38

Fig. 3. Caracteristicile statice de ieire ale TEC-J Aa cum se poate observa n figura 4, potenialul n canal va crete n lungul canalului de la surs spre dren. Acest potenial, pozitiv fa de sursa aleas drept referin, mrete tensiunea invers aplicat jonciunii gril-canal i lrgimea regiunii de trecere a acesteia se micoreaz. Spre deosebire de configuraia din figura 2, corespunztoare valorii Ud=0 (sau Ud foarte mare), n prezena tensiunii de dren, canalul se ngusteaz pe msur ce se apropie de dren. Acestei ngustri a canalului i corespunde o micorare a conductanei sale, motiv pentru care curentul de dren Id crete din ce n ce mai ncet la creterea tensiunii Ud aa cum se poate observa n figura 4. Caracteristicile statice ale tranzistorului TEC-J se mpart n dou categorii: - caracteristici statice de ieire, care dau dependena curentului de dren de tensiunea dren-surs; - caracteristici statice de transfer, adic dependena curentului de dren n funcie de tensiunea gril-surs.

Fig. 4. Variaia grosimii canalului cu tensiunea dren-surs Caracteristicile enumerate mai sus sunt date n figura 5. Din caracteristica static de ieire se observ c la o anumit valoare a tensiunii Uds regiunile de trecere penetreaz n ntregime canalul n punctul A (fig. 4). Acest punct se gsete la captul dinspre dren (unde potenialul este cel mai mare) al poriunii nguste a canalului. Diferena de potenial ntre poart i punctul A este tocmai tensiunea de prag Up. La o tensiune Uds mai mare, ca urmare a

39

extinderii n continuare a regiunilor de trecere, apare o poriune n care canalul constituit de materialul semiconductor de tip n este ntrerupt, ca n figura 4.c. La un tranzistor cu canal p rezult aceleai configuraii de canal i caracteristici statice, cu deosebirea c polaritile tensiunilor i sensul curentului trebuie inversate. Simbolurile folosite pentru cele dou tipuri de tranzistoare sunt date n figura 6.

Fig. 5. Caracteristicile statice de transfer i de ieire ale TEC-J

Fig. 6. Simbolurile tranzistoarelor TEC-J n cazul n care electrozii B(baz) i G(gril) sunt legai mpreun, electrodul G nu se mai reprezint. Sensurile curentului de dren i polaritile normale ale tensiunilor aplicate sunt date n figura 6. Parametrii tranzistorului TEC-J pe poriunea liniar a caracteristicilor sunt: - panta tranzistorului: S=d(Id)/d(Up), pentru Ud=ct. - rezistena intern: Ri=d(Ud)/d(Id), pentru Up=ct. - factorul de amplificare n tensiune: u=d(Ud)/d(Up)=S*Ri.

40

TRAZISTORUL TEC-MOSTECMOS cu canal iniial

41

TECMOS cu canal indus TECMOS cu canal indus de tip n

Tranzistorul TEC-MOS are dou zone semiconductoare de acelasi fel (de tipul N pentru tranzistorul din figura 2.24) alocate una sursei si cealalt drenei, separate printr-un strat de tipul cellalt (in cazul nostru de tipul P). Orice polaritate a tensiunii am aplica intre dren si surs una din jonctiunile P-N va fi blocat asa incat nu se va inchide nici un curent fr aportul electrodului de comand respectiv grila tranzistorului.

42

Grila este in contact cu semiconductorul de tipul P, fiind separat de acesta printr-un izolator, care in cazul tranzistorului MOS este un strat de oxid de siliciu ca in figura 2.24. In conditiile aplicrii unei tensiuni pe gril pozitiv in raport cu substratul, aceast tensiune, prin campul electric orientat de al gril ctre SS inpinge golurile majoritare din zona P si atrage la suprafata de separatie a metalului grilei electronii minoritari. In zona P, intre cele dou zone N+ apare un strat de electroni minoritari care formeaz un strat de inversie a conductiei. Cresterea potentialului grilei determin cresterea ltimii stratului de inversie. Aplicand o diferent de potential intre dren si surs electronii din stratul de inversie se vor deplasa pe calea N+ (surs) canal format din stratul de inversie - N+ (dren), determinand curentul important al tranzistorului. Tranzistorul descris mai sus se numeste TEC-MOS cu canal n - indus. In figura 2.25 este prezentat simbolul tranzistorului TEC-MOS cu canal N indus. Notatiile au semnificatiile : S - surs, D - dren, Ss - substrat, G - gril (poart).

43

Tensiunea de polarizare a grilei este VGS pozitiv ca s formeze canalul materializat prin stratul de inversie iar tensiunea VDS este pozitiv ca s antreneze electronii de la surs ctre dren - pentru ca in circuit s se stabileasc curentul ID orientat de la D spre S. Not: Se construiesc tranzistori de tip MOS cu canal initial pentru care, (datorit doprii zonei P) exist un strat de inversie a conductiei la suprafata semiconductorului fr aplicarea unui potential pe gril (la VGS =0 ) .

44

CIRCUITE INTEGRATE

Circuitul integrat reprezint un dispozitiv electronic compus din interconectarea mai multor componente electrice pasive i active pe o plcu de material semiconductor (de exemplu siliciul), care n cele mai multe cazuri este introdus ntr-o capsul etan fa de factorii de mediu i dotat cu elemente de conexiune (terminale).

FA BRICAREA UNUI CIRCUIT INTEGRATDispozitivul fundamental al lumii digitale este circuitul integrat, o mic pies de form ptrat de siliciu coninnd milioane de tranzistoare. Este probabil cel mai complex dispozitiv creat de om. Dei pare plat, este de fapt o structur tridimensional creat prin construirea in cel mai mic detaliu pe baz de siliciu a ctorva straturi forte subiri de materiale care izoleaz i conduc electricitatea. Asamblate conform unui tipar care a fost conceput cu foarte mare grij n avans, aceste straturi formeaz tranzistorele, care funcioneaz ca 45

ntreruptoare care controleaz fluxul de electricitate prin circuit, cunoscut i sub numele de cip. Poziiile pornit i oprit ale ntreruptorului manipuleaz codul binar care este miezul funcionrii calculatorului. Construcia n sine a unui cip necesit, de obicei, cteva sute de pai de fabricare care dureaz cteva sptmni. Fiecare pas trebuie executat perfect pentru ca cip-ul sa funcioneze. Condiiile sunt foarte stricte. Spre exemplu, deoarece un fir de praf poate distruge cip-ul, fabricarea trebuie sa aib loc ntr-o camer curat care conine mai puin de 25 de submicroni de particule de praf ntr-un metru cub de aer (n contrast, camera de zi are ntre doua milioane i douazeci de milioane de particule ntr-un metru cub de aer). Mare parte din echipamentul necesar pentru crearea cip-urilor admite cea mai nalt dintre tehnologiile nalte, astfel nct fabricile de cip-uri, care cost ntre un miliard i dou miliarde de dolari, sunt printre cele mai costisitoare ntreprinderi. Tehnologia de baza a fabricrii cip-ului este procesul planar proiectat n 1857 de Jean Hoerni de la Fairchild Semiconductor. Acesta furniza mijloacele de creare a unei structuri cu straturi a bazei de silicon a unui cip. Aceasta tehnologie a fost pivotul n apariia circuitului integrat n 1958 de ctre Robert N. Noyce. Legtura ntre tranzistoare i circuitul integrat a fost tehnologia planar care a deschis drumul ctre procesul de fabricare conform cruia se construiesc astzi cip-urile. Sutele de pai individuali din acest proces pot fi grupai n cteva operaii de baz. Proiectarea cip-ului Prima operaie este proiectarea cip-ului. Cnd ai de construit milioane de tranzistoare pe o pastil de siliciu de dimensiunea unghiei unui copil, plasarea i interconectarea tranzistoarelor trebuie lucrat meticulos. Fiecare tranzistor trebuie proiectat pentru funcia proprie, i se combin grupuri de tranzistoare pentru a crea elemente de circuit cum ar fi invertoarele, sumatoarele i decodoarele. Proiectantul trebuie s ia de asemenea n consideraie scopul pentru care a fost proiectat cip-ul. Un cip de procesor execut instruciunile dintr-un calculator iar cipul de memorie stocheaz datele. Cele dou tipuri de cip-uri difer oarecum n structur. Din cauza complexitii cip-urilor din ziua de astzi, munca de proiectare este realizat de un calculator, dei inginerii printeaz adesea o diagram mrit a structurii cip-ului pentru a o examina n detaliu. Cristalul de siliciu Materialul de baza pentru construcia unui circuit integrat este cristalul de siliciu. Siliciul, elementul cel mai abundent pe pmnt dup oxigen, este ingredientul principal al nisipului de plaj. Siliciul este un semiconductor natural, ceea ce nseamn ca poate fi alterat pentru a deveni fie izolator, fie conductor. Pentru a obine cristalul de siliciu, siliciul-minereu este obinut din cuar i este tratat cu chimicale pentru elimina impuritile pn cnd ceea ce rmne este aproape 100% siliciu. Siliciul purificat este topit i apoi transformat n cristale de form cilindric numite lingouri. Lingourile sunt feliate n membrane de circa 0,725 mm grosime. ntr-unul din pai, numit planarizare sunt lustruite pn cnd capt o suprafa fin ca o oglind i fr cusur. n prezent, majoritatea acestor membrane au un diametru de 200 mm, dar industria dorete obinerea unui diametru standard de 300 mm. Deoarece o singur membran produce sute de cip-uri, membrane mai mari nseamn c mai multe cip-uri pot fi produse, scznd costul de producie.

46

Primele straturi Cnd membrana este pregtit, procesul construciei circuitului cip-ului ncepe. Crearea tranzistoarelor i interconectarea lor cuprinde civa pai de baz care se repet de mai multe ori. Cele mai complexe cip-uri create astzi conin 20 sau mai multe straturi i pot necesita cteva sute de pai de procesare distinci pentru crearea acestora una cte una. Primul strat este dioxidul de siliciu, care nu conduce electricitatea i, drept urmare, servete ca izolator. Este creat prin suprapunerea straturilor pe un cuptor de difuziune, care este de fapt un cuptor la temperatur nalt unde un strat subire de oxid este crescut pe suprafaa membranei. nlturat de pe cuptor, membrana este acum gata pentru primul su pas de creare a unui tipar, aa zisul pas fotolitografic. O ptura de lichid polimeric uor vscos numit fotorezistent, care devine solubil cnd este expus la lumin ultraviolet, este depus pe suprafa. Se depune o cantitate precis de fotorezistent pe suprafaa membranei. Apoi membrana este supus unei micri de rotaie, astfel nct fora centrifug mprtie lichidul pe suprafaa acesteia formnd un strat de grosime uniform. Aceast operaie are loc pe fiecare strat care este modificat de o procedur fotolitografic, numit mascare. Mascarea Masca este dispozitivul prin care lumina ultravioleta lumineaz pentru a defini tiparul pe fiecare strat al cip-ului. Deoarece tiparul este deosebit de complex i trebuie s fie poziionat precis pe cip, aranjamentul spaiilor opace i transparente pe masc trebuie realizat cu foarte mare grij n timpul operaiei de proiectare a cipului. Imaginea mtii este transferat pe membran folosind un aparat controlat de calculator. Acesta are un sistem complicat de lentile care reduce tiparul de pe masca la dimensiunile microscopice ale circuitelor cip-ului, necesitnd o rezoluie de pn la 0,25 microni. Membrana este meninut pe o mas de poziionare dedesubtul sistemului de lentile. Lumina ultraviolet de la o lamp special sau de la un laser trece prin spaiile libere ale tiparului complex al mtii pe stratul fotorezistent al unui cip. Apoi masa de sub lentile mic membrana o distan precis necesar pentru poziionarea cip-ului sub lumin. Pe fiecare cip, componentele stratului fotorezistent care au fost lovite de lumin devin solubile i pot fi, asemenea unui film fotografic, developate, folosind solveni naturali. Dup ce fotorezistentul capt tiparul, membrana este gata pentru imprimare. Imprimarea n timpul acestui pas, fotorezistentul care a rmas pe suprafa protejeaz pri ale straturilor de dedesubt de a fi nlturate de acizii i gazele reactive folosite pentru a imprima tiparul pe suprafaa membranei. Dup ce imprimarea se sfrete, stratul protector de fotorezistent este nlturat, evideniind astfel segmente conductoare sau izolatoare electric pe tiparul determinat de masc. Fiecare strat adiional aezat pe cip are un tipar distinct.

47

Adugarea straturilor Mascarea i imprimarea ulterioar depoziteaz tiparele materialelor adiionale pe cip. Aceste materiale includ polisiliciu ca i diferii oxizi i conductori metalici, cum ar fi aluminiul i tungstenul. Pentru a preveni formarea de compui nedorii n paii urmtori, alte materiale cunoscute sub numele de bariere de difuziune pot fi de asemenea adugate. Pe fiecare strat de material, mascarea i imprimarea creeaz un tipar unic de suprafee conductoare i izolatoare. mpreun, aceste tipare aliniate una deasupra alteia formeaz circuitele cipului ntr-o structur tridimensional. Dar circuitele necesit o perfect stare de funcionare, furnizat de un alt pas numit dopare

Doparea n timpul doprii se adaug impuriti chimice, cum ar fi bor sau arsenic, anumitor pri ale membranei de siliciu pentru a altera modul n care fiecare suprafa dopat de siliciu conduce electricitatea. Sunt folosite adesea mainile numite implantatori de ioni pentru a injecta aceste impuriti pe cip. n termeni electrici, siliciul poate fi fie de tipul n sau de tipul p, depinznd de impuritile adugate. Atomii din materialul dopat n siliciul de tipul n au un electron n plus care este liber s se mite. Unii dintre atomii dopai n siliciul de tipul p au un electron lips i constituie astfel ceea ce se numete un gol. Cnd cele dou tipuri se unesc, electronii aflai n plus pot trec de la tipul n la tipul p pentru a umple golurile. Aceast micare a electronilor nu continu n mod infinit. Pn la urm ionii pozitivi rmai pe partea tipului n i ionii negativi de pe partea p creeaz mpreuna o for electric care previne un eventual flux de electroni de la tipul n la tipul p. Materialul de la baza cip-ului este siciul de tipul p. Unul dintre paii de imprimare n fabricarea cipului nltur anumite pri ale straturilor de dioxizi de siliciu i de polisiliciu aezai pe baza de siliciu pur mai nainte, lsnd astfel libere dou striaii de siliciu de tipul p. Acestea sunt separate de o striaie care i are nc stratul de polisiliciu conductor; aceasta este poarta tranzistorului. Materialul dopat aplicat celor dou striaii de siliciu de tip p le transform n siliciu de tip n. O sarcin pozitiv aplicat porii atrage electronii sub poart n baza de siliciu a tranzistorului. Aceti electroni creeaz un canal ntre o striaie de tipul n (sursa) i o alta (scurgerea). Daca se aplic o tensiune pozitiv scurgerii, curentul va merge de la surs la scurgere. n acest fel, tranzistorul este pornit. O sarcin negativ aplicat porii golete canalul de electroni, prevenind astfel fluxul de curent ntre surs i scurgere. Acum

48

tranzistorul este oprit. Poziionarea tranzistorului pe oprit sau pornit reprezint de fapt 0 sau 1, care constituie codul binar, limbajul calculatoarelor. Realizate de multe ori n muli ani, aceste operaii furnizeaz cip-ul cu multitudinea sa de tranzistori. Dar aa cum trebuiesc luate msuri pentru ca firele electrice i evile dintre etajele unui bloc s funcioneze, trebuie luate msuri pentru interconectarea tranzistoarelor pentru ca acestea s formeze un set de circuite integrate.

Interconectrile

Pasul final ncepe cu alte operaii de mascare i de imprimare care deschid un strat subire de contacte electrice ntre straturile cipului. Apoi este depozitat aluminiu i capt un tipar folosind fotolitografia pentru a crea un fel de fire care leag toate tranzistoarele cipului. Aluminiul este folosit pentru aceste aplicaii deoarece acesta creeaz un bun contact electric cu siliciul i de asemenea se unete bine cu dioxidul de siliciul. Acest pas ncheie prelucrarea membranei. Acum cip-urile sunt testate pentru a fi siguri c toate conectrile electrice funcioneaz. n continuare, o main taie membrana n cipuri individuale i cip-urile bune sunt separate de celelalte. Cip-urile bune, de obicei cea mai mare parte, sunt aezate pe uniti de mpachetare cu vrfuri metalice, care sunt unite de cipuri cu nite fire speciale. Contactul electric ntre suprafaa cipului i vrfuri se realizeaz cu mici fire de aluminiu sau de aur de circa 0,025 mm n diametru. Cnd procesul de mpachetare s-a ncheiat, cip-urile sunt trimise pentru munca digital.

49

TEHNOLOGIA REALIZATRII CIRCUITELOR INTEGRATE

LitografiaUn circuit integrat este o colecie de dispozitive active i componente pasive interconectate electric, realizate pe acelai substrat de siliciu. Componenta de baz a circuitelor integrate este tranzistorul. Iniial BIPOLAR apoi MOS n final BiCMOS. Indiferent de tipul de tranzistor, acesta se compune dintr-o succesiune de straturi diferit impurificate. Procedeul tehnic folosit pentru realizarea acestor straturi succesive i a legturilor dintre ele este LITOGRAFIA mai precis FOTOLITOGRAFIA Fotolitografia se bazeaz pe acoperirea siliciului cu o substan fotosensibil i expunerea selectiv la ultraviolete prin nite mti.

50

Evoluia dimensiunii detaliului minim dintr-o masc

Limita rezoluiei Limita rezoluiei unui sistem de expunere optic este :

unde: -k1 este un parametru de proces (uzual 0.4~0.8); -NA este apertura numeric a sistemului de lentile (uzual ntre 0.16~0.6); - este lungimea de und a luminii utilizate.

51