Semiconductori

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

en

erge

tice

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 conductie

Izolatoarele 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 Conductoare

Conductoarele (metalele) au deasupra benzii de valenţă complet

ocupată cu electroni o bandă de conducţie parţial ocupată cu

electroni.

Electrical Current.swf

Semiconductori

Semiconductoarele 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

rare

reco

mbi

nare

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

Si As

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

Eg Ea

p = n + Na

Ea – energia de ionizare a acceptorilor

Na – 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.

n p

Dioda semiconductoare

Joncţiunea 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 (R j = 10 Ω);

- polaritate inversă, practic nu trece curent deoarece are loc o lărgire a

stratului de baraj care capătă o rezistenţă electrică foarte mare (R j = 104...105 Ω); în acest caz se spune că dioda este blocată.

Caracteristicile diodei semicoductoare

U

Ub

Ub+U

la echilibru

U

Ub

Ub-U

la echilibru

Tensiune 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:

i

uRdm

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

u D.id

UD

i i

0 UD

u

(b) (c)

D

dm

D

D

UuR

Uu

Uu

i,

,0

Trasarea experimentală a caracteristicilor diodei semiconductoare

Materiale necesare:

diodă semiconductoare; resistor (cel puţin 10 Ω)

sursă : 0 – 12 V c.c. conductori de legătură; voltmetru, ampermetru; reostat.

Trasarea experimentală a caracteristicii diodei

Materiale necesare:

- diodă semiconductoare;

- resistor (cel puţin 10 Ω)

- sursă : 0 – 12 V c.c.

- conductori de legătură;

- voltmetru, ampermetru;

- rheostat.

Mod de lucru:

- se realizează montajul din

figură;

- variaţi tensiunea aplicată şi

notaţi valorile corespunzătoare

ale curentului în tabel:

Tensiune la bornele diodei (V) Intensitatea curentului prin 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 rezultatele pentru valori negative ale tensiunii se inversează

bornele diodei;

- trasaţi graficul: I = f(U)

- rezistenţa diodei pentru o anumită tensiune este egală cu raportul dintre tensiune

şi intensitate; folosiţi graficul pentru a calcula rezistenţa diodei pentru diferite

tensiuni;

- descrieţi cum variază rezistenţa cu tensiunea aplicată; este rezistenţa diodei

aceeaşi pentru o tensiune pozitivă şi 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 al doilea dezavantaj este încărcarea nesimetrică a reţelei, puterea fiind absorbită doar în timpul unei singure semialternante. Redresorul monoalternanţă este însă destul de

folosit la puteri mici deoarece este cel mai simpu şi cel mai ieftin.

Redresarea ambelor alternanţe

Redresor dublă alternanţă cu punct median

În cazul acestui tip de redresor transformatorul este necesar şi el trebuie să aibă un secundar cu două înfăşurări înseriate, care au acelaşi număr de spire, cu un punct

median între ele, astfel ca să furnizeze blocului redresor compus din două diode două tensiuni identice, u2. Ansamblul poate fi privit şi ca două redresoare monoalternanţă

legate 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 schemele

echivalente 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 polarizate

invers 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 sunt

polarizate 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.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbeit/da/weTEiS/wet

eis/diode1.htm http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.ht

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

LED

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

Caracteristica diodei

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

Dioda semiconductoare

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

Redresarea cu pynte

http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_transfo.html Redresarea cu 2 diode