semiconductori

Semiconductori

Iankovszky Cristina

Cuprins: Benzile de energie. Conductori,

semiconductori, izolatori Semiconductori intrinseci Semiconductori extrinseci Probleme Joncţiunea pn. Dioda semiconduc toare Caracteristicile diodei semiconductoare Trasarea experimentală a caracteristicilor

diodei semiconductoare Redresarea curentului alternativ Probleme

Benzile de energie. Conductori, semiconductori,

izolatori

Banda de valenta

Banda de conductie

Banda interzisa

Niv

ele

ene

rget

ice

Banda de energie provenită de la nivelul energetic discret al atomului pe care se află electronii de valenţă se numeşte bandă de valenţă. Gradul de ocupare cu electroni a nivelelor energetice de valenţă depinde de natura chimică a atomilor, de structura cristalină sau de alţi factori; ea poate fi ocupată parţial sau complet de electroni. În mod normal electronii aflaţi în banda de valenţă au cea mai mare energie.

În atomul liber, deasupra nivelului de valenţă, se găsesc nivele energetice care,deşi sunt libere, ele pot fi ocupate cu electroni în urma excită rii atomului. În cristal nivelul liber al atomului se transformă într-o bandă de sbnivele libere care poartă denumirea de bandă de conducţie.

Banda de valenţă este separată de banda de conducţie printr-un interval energetic, denumit bandă interzisă, în care nu există nivele energetice pentru electroni. Ocuparea cu electroni a nivelelor din banda de conducţie poate începe numai în momentul când electronii din banda de valenţă primesc o energie cel puţin egală cu lărgimea benzii interzise.

Prin nivel energetic întelegem o stare energetică posibilă într-unsistem cuantic atom, moleculă, nucleu, cristal, etc.)

Fiecare nivel energetic discret al atomului, caracterizat prin perechea de numere cuantice (n,l), în cristal se transformă într-o bandă energetică.

Noţiunea de benzi energetice (nivele energetice) reflectă numai starea energetică a electronilor dintr-un corp solid.

(Click pe fiecare termen daca doriţi sa aflaţi mai mult..)

(nucleu)

Eg

În funcţie de gradul de ocupare cu electroni a benzilor de energie, corpurile solide pot fi împărţite

în: conductoare, semiconductoare, izolatoare.

Eg > 3 eV

Banda de valenta

Banda de conductieIzolatoarele sunt substanţe care nu permit trecerea

curentului electric. Oricâtă energie ar primi electronii din banda de

valenţă nu ar putea face saltul în banda de conducţie deci nu avem sarcini electrice libere

care să participe la formarea curentului

electric.

Izolatoare

Eg < 3 eV

Corpurile solide a căror bandă de valenţă este

complet ocupată cu electroni, iar banda de

conducţie complet liberă este separată de banda

de valenţă printr-o bandă interzisă îngustă de

lărgime Eg < 3 eV , sunt semiconductoare.

Semiconductoare

ConductoareConductoarele (metalele)

au deasupra benzii de valenţă complet ocupată cu electroni o bandă de

conducţie parţial ocupată cu electroni.

Electrical Current.swf

SemiconductoriSemiconductoarele sunt corpuri a căror

conductivitate electrică σ = 1/ ρ = 104....10-

8 1/Ωm este cuprinsă între cea a metalelor şi cea a izolatoarelor, fiind influenţată de temperatură ( la temperaturi joase sunt izolatoare şi la temperaturi înalte sunt

conductoare.

Semiconductoare

Semiconductoare intrinseci ( pure)

Semiconductoare extrinseci ( cu

impurităţi

de tip n

de tip p

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Conducţia electrică a semiconductorilor

La temperaturi joase un semiconductor este un isolator cu rezistenţă electrică

foarte mică.

Atomii aflaţi în nodurile reţelei

cristaline oscilează în

jurul poziţiei de echilibru. La o

anumită temperatură vor avea o

energie cinetică finită,

existând posibilitatea ca

electronii periferici să părăsească

atomii devenind liberi.

Si

Si

Si

Si

Si

Si

BV

BC

Aducerea unui electron în starea de conducţie înseamnă trecerea lui din banda de valenţă (BV) în banda de conducţie (BC).

Prin plecarea electronului din BV în BC, în urma lui apare un nivel energetic liber numit “gol”. Apariţia unui gol este echivalentă cu apariţia unei sarcini electrice pozitive.

Eg

Benz

i de

ener

gie

(eV)

Cristal de siliciu ( germaniu )

BV

BC

Eg

Benz

i de

ener

gie

(eV)

Fe Fe

E Dacă semiconductorului i se aplică o diferenţă de potenţial,

electronii din banda de valenţă vor începe să se deplaseze în sens invers

câmpului electric; golurile vor fi ocupate tocmai de acei

electroni care se apropie de ele, lăsând în urma lor noi

goluri. Electronii se vor deplasa de la “-“ la “+” iar golurile în sens

invers.În semiconductoare sunt posibile

două tipuri de conducţie electrică:- conducţia electronică,

determinată de deplasarea electronilor în banda de conducţie;- conducţie de goluri, determinată

de deplasarea golurilor în banda de valenţă.

Semiconductori intriseci

BV

BC

Eg

Benz

i de

ener

gie

(eV)

gene

rar

e

reco

mbi

nar

e

În cazul semiconductorilor intrinseci, datorită agitaţiei termice electronii pot trece din banda de valenţă în banda de conducţie BC, procesul numindu-se excitare termică intrinsecă ( generare termică intrinsecă ). În urma acestui proces apar electroni şi goluri în număr egal.

Pe de altă parte are loc şi procesul invers generării şi anume recombinarea electronilor cu golurile, respectiv trecerea electronilor din banda de conducţie BC în banda de valenţă BV.

Prin urmare, în regim de echilibru termodinamic la o anumită temperatură T, numărul actelor de generare este egal cu numărul actelor de recombinare, iar în semiconductor se va stabili o concentraţie staţionară de electroni şi goluri libere, concentraţia electronilor liberi n0 fiind egală cu concentraţia golurilor libere p0:

n0 = p0 = ni

ni – concentraţia intrinsecă

unde

Semiconductor de tip n

Si

Si

Si

Si

Si

SiAs

As

Pentru a obţine un semiconductor extrinsec de tip n se introduc într-un semiconductor pur impurităţi donoare ( donori ) adică, atomi cu valenţa V precum fosfor (P)

sau arseniu (As).

BV

BC

Eg

Ed

n = p + Nd

Ed – energia de ionizare

Nd – concentraţia donorilor- atomi donori

n - concentraţia totală a electronilor liberi din BC

- ioni ai atomilor donori

p - concentraţia golurilor în BV

Donorii dau nivele energetice mai apropiate de banda de conducţie, electronii putând fi uşor transportaţi de pe un astfel de nivel pe banda de conducţie.

Trecerea electronilor de pe nivelul donor în banda de conducţie poartă numele de excitare (generare) termică extrinsecă a electronilor. Poate avea loc şi procesul invers de trecere a electronilor din banda cde conducţie pe nivelul donor, proces denumit recombinarea electronilor pe nivelul donor.

Semiconductor de tip p

Si

Si

Si

Si

Si

Si B

Pentru a obţine un semiconductor extrinsec de tip p se introduc într-un semiconductor pur impurităţi

acceptoare ( acceptori) adică, atomi cu valenţa III precum bor (B) sau galiu (Ga) .

B

BV

BC

EgEa

p = n + Na

Ea – energia de ionizare a acceptorilorNa – concentraţia acceptorilor- atomi acceptori

p - concentraţia totală a golurilor din BV

- ioni ai atomilor acceptori

n - concentraţia electronilor în BC

Procese care au loc în semiconductorii de tip p

la temperaturi coborâte predomină schimbul de goluri dintre BV şi nivelul energetic Ea al acceptorilor, având loc acte de generare şi recombinare a golurilor;

la temperaturi mai înalte are loc şi generarea intrinsecă.

Joncţiunea p-n

E

Joncţiunea p-n reprezintă zona de trecere ( contact) care se formează într-un cristal

semiconductor, la care o parte conţine impurităţi acceptoare ( tip n) iar cealaltă impurităţi donoare

(tip p). Ea are o lărgime l = 10-4….10-5 cm.

np

Dioda semiconductoareJoncţiunea pn are calităţi

redresoare. Astfel aplicând o tensiune continuă cu :

- polaritate directă (polul plus la regiunea p şi polul minus la

regiunea n), prin joncţiune trece un curent electric a cărui intensitate creşte cu creşterea

tensiunii aplicate, deoarece rezistenţa electrică este mică

(Rj = 10 Ω);- polaritate inversă, practic nu trece curent deoarece are loc o lărgire a stratului de baraj

care capătă o rezistenţă electrică foarte mare (Rj = 104...105 Ω); în acest caz se

spune că dioda este blocată.

Caracteristicile diodei semicoductoare

U

Ub

Ub+Ula

echilibru

U

Ub

Ub-U

la echilibruTensiun

e directa

Tensiune

inversa

Prin aplicarea câmpului exterior în sens direct are loc o micşorare a duferenţei de potenţial (barierei) dintre cele două regiuni, deoarece câmpul extern are sens invers câmpului de baraj, ceea ce înlesneşte mişcarea purtătorilor majoritari. În felul acesta, la polarizare directă curentul electric trece prin diodă.

Când dioda este polarizată invers, câmpul extern aplicat având acelaşi sens cu câmpul de baraj, mişcarea purtătorilor majoritari este împiedicată. În acest caz, curentul ce străbate dioda, format numai din purtători minoritari, este extrem de slab ( de ordinul mA la dioda cu Si şi de ordinul μA la cea cu Ge), aşa încât îl putem considera practic nul. Spunem că la polarizarea inversă dioda nu conduce curentul electric.

Schema şi simbolul diodei

p n

Dioda funcţionează ca

o supapă ce permite trecerea

curentului electric într-un

singur sens (când este polarizată

direct).

Caracteristica reală a unei diode cu joncţiune.

În figură se reprezintă caracteristica I = f(U) a unei diode. Ea pune în evidenţă următoarele:

a) Intensitatea curentului în sens direct, după ce se depăşeşte tensionea de deschidere UD, creşte exponenţial şi rezistenţa diodei devine foarte mică.

b) În sens contrar, pentru U < 0, intensitatea curentului care trece prin diodă este foarte mică, cu multe ordine de mărime mai mică decât în sens direct. În majoritatea aplicaţiilor practice se consideră egală cu zero. Dacă tensiunea creşte peste o anumită valoare critică – numită tensiune de străpungere – dioda (joncţiunea) se “străpunge” şi intensitatea curentului începe să crească brusc. Fenomenul de străpungere este unul negativ. În practică se urmăreşte crearea de joncţiuni care să reziste la tensiuni inverse cât mai mari, mii de volţi.

http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html



u

Δi

Δu

i

γ

0 UD

Caracteristica statică liniarizată aproximează destul de bine, pentru curenţi lent variabili, caracteristica reală a diodei.

Definim rezistenţa dinamică a diodei prin relaţia:

iuRdm

pentru porţiunea înclinată, corespunzătoare conducţiei diodei. Acest raport reprezintă tangenta unghiului de înclinare γ faţă de verticală a porţiunii rectilinii înclinate – Rdm = tg γ.

O diodă ideală ar funcţiona ca un întrerupător care este închis pentru tensiuni u < 0

(polarizare inversă) şi deschis pentru tensiuni

pozitive u > 0 (polarizare directă). Ea ar prezenta la

polarizare inversă o rezistenţă infinită, iar în

conducţie directă, o rezistenţă nulă.

0

i

u

Caracteristica liniarizată ar corespunde modelului electric echivalând cu o diodă ideală înseriată cu o rezistenţă, reprezentând rezistenţa dinamică a diodei şi cu un generator ideal de tensiune electromotoare egală cu tensiunea de deschidere UD a diodei reale. (a)

Din compunerea celor trei caracteristici individuale (b) rezultă caracteristica liniarizată (c).

Reţinem că UD şi Rdm sunt parametrii modelului. Modelul este descris matematic de funcţia:

Dideala Rdm UD

(a)

0

i

uD.id

R dmUD

ii

0 UD

u

(b) (c)

Ddm

D

D

UuRUuUu

i,

,0

Trasarea experimentală a caracteristicilor diodei

semiconductoareMateriale necesare:

diodă semiconductoare;resistor (cel puţin 10 Ω)sursă : 0 – 12 V c.c.conductori de legătură;voltmetru, ampermetru;reostat.

Trasarea experimenta lă a ca rac ter isticii diod ei Materia le necesare:

- diodă semiconduc toare ; - resistor (ce l puţin 10 Ω) - sursă : 0 – 12 V c.c . - co nductori de legătură; - voltmetru, amp ermetru; - rheos tat.

Mod de lucru: - se rea lizează montajul din f igură; - var iaţi tensiunea aplicată şi nota ţi valoril e corespunzătoare ale curentului în tabel: Tensiun e la bornele diodei (V) In tensitatea curentului pr in diodă (A) 4 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0

- pentru a înregistra rezultat ele pentru valori negati ve ale tensiunii s e inversează borne le diodei ;

- trasaţ i grafi cul: I = f (U) - rez istenţa diod ei pentru o anu mită tensiune est e egală cu rapor tul dintre tensiune

şi i ntensi tate; folosiţi grafi cul pentru a calcula rezistenţa diodei pentru di ferite tensiuni;

- descri eţi cum v ar iază rezis tenţa cu tensiunea aplicat ă; este rezis tenţa dio dei aceeaşi pentru o ten siun e poziti vă ş i pentru o tensiune negativă.

http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbeit/da/weTEiS/weteis/diode1.htm



Redresarea curentului alternativ

Prin redresarea curentului alternative se înţelege transformarea curentului alternativ de joasă frecvenţă în curent pulsator, utilizând un dispozitiv numit redresor.

Pentru redresarea curentului alternativ se poate folosi dioda cu joncţiune.În mod obişnuit un redresor cu dispozitiv semiconductor este compus din: elementul redresor ( dioda semiconductoare ),sursa de curent alternativ (reţea de alimentare cu energie electrică sau transformator) şi un filtru de netezire..

Transformator

Redresor

Filtru de netezire

Retea

Spre sarcina~

Transformatorul din circuitul redresor

separă componenta de curent alternativ

de cea de curent continuu şi

determină de obicei valoarea tensiunii continue pentru o

valoare dată a tensiunii de reaţea.

Redresorul propriu-zis

este un element

neliniar (sau mai multe)

care permite trecerea

curentului într-un singur

sens.

Filtrul are rolul de a reduce (netezi)

pulsaţiile tensiunii

redresate. Filtrele se realizează de

obicei cu elemente de

circuit reactive: condensatoare,

bobine, uneori şi rezistoare.

Redresor monoalternanţă

Redresorul monoalternanţă este cel mai simplu redresor. Blocul redresor

coţine un singur element redresor, o diodă.Randamentul scăzut este unul dintre dezavantajele acestui

redresor. Un aldoilea dezavantaj este încărcarea nesimetrică a reţelei, puterea

fiind absorbită doar întimpul unei singure semialternante. Redresorul monoalternanţă

este însă destul defolosit la puteri mici deoarece este cel mai simpu şi cel mai ieftin.

Redresarea ambelor alternanţeRedresor dublă alternanţă cu

punct medianÎn cazul acestui tip de redresor transformatorul este necesar şi el

trebuie să aibăun secundar cu două înfăşurări înseriate, care au acelaşi număr de

spire, cu un punctmedian între ele, astfel ca să furnizeze blocului redresor compus

din două diode douătensiuni identice, u2. Ansamblul poate fi privit şi ca două

redresoare monoalternanţălegate la aceeaşi sarcină, în cazul acesta rezistenţa RS.

În prima semiperioadă cele două diode sunt polarizate astfel: D1 direct, plusul tensiunii transformatorului la anod, iar D2 invers. Schema echivalentă este aceea din figura (b) (D1 scurtcircuit, D2 întreruptă) şi tensiunea pe sarcină este egală cu u2, adică o semialternanţă pozitivă.

În a doua semiperioadă cele două diode sunt polarizate astfel: D1 invers, minusul tensiunii transformatorului la anod, iar D2 direct. Schema echivalentă este aceea din figura (c) (D1 întreruptă, D2 scurtcircuit) şi tensiunea pe sarcină este egală cu minus u2 (negativă în acest semiinterval), adică din nou o semialternanţă pozitivă.

Se obţine în acest fel o redresare dublă alternanţă.

http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_transfo.html



Redresor dublă alternanţă în punte

Redresorul dublă alternanţă în punte are schema, forma tensiunilor

şi schemeleechivalente în semiperioadele

distincte de funcţionare prezentate în figură. În cazul

acestui tip de redresor transformatorul poate lipsi.Se obţine în acest fel o redresare dublă alternanţă la fel

ca în cazul anterior.Avantajul schemei, valoarea

medie dublă faţă de redresarea monoalternanţă şi

deci o eficacitate dublă a redresării dar şi faptul că este nevoie de o singură sursă de

alimentare.

Blocul redresor este format din 4 diode legate în punte (formând un patrulater)

într-o anumită succesiune a terminalelor. La una din diagonalele punţii se conectează

sursa de tensiune alternativă, sau secundarul transformatorului dacă acesta există, iar la

a doua diagonală se conectează sarcina, R în cazul acesta.

În prima semiperioadă sunt polarizate direct diodele D2 si

D3 şi sunt polarizateinvers diodele D1 şi D4.

Schema echivalenta este aceea din figură şi tensiunea pe sarcină este egală cu u2,

adică o semialternanţă pozitivă.

În a doua semiperioadă sunt polarizate invers diodele D2

şi D3 suntpolarizate direct diodele D1 şi D4. Schema echivalentă

este aceea din figură şi tensiunea pe sarcină este

egală cu minus u2 (negativă în acest semiinterval), adică

din nou o semialternanţă pozitivă.

http://www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCurrent.dcr



Bibliografie Manual pentru clasa a XI-a; N. Gherbanovschi,

M.Prodan,St. Levai; Ed. Didactica si Pedagogic; Bucuresti – 1990

Fizica – Manual clasa aXII-a; O. Rusu,L. Dinica, C-tin Traistaru, M. Nistor; Ed. Corint; Bucuresti – 2007

http://mritsec.blogspot.com/2009/01/electronic-device-animations.html

http://www.ibiblio.org/kuphaldt/socratic/output/animation_bridge_rectifier_nonideal_fast.gif


http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.ht

http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/leds/basicoperation/

LED


Caracteristica diodei


Dioda semiconductoare


Redresarea cu pynte


Redresarea cu 2 diode



semiconductori

Documents