Semiconductor

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare

Semiconductorul este un material a cărui rezistivitate este cuprinsă între cea a conductoarelor și izolatoarelor. Un câmp electric poate schimba rezistivitatea semiconductorilor. Dispozitivele fabricate din materiale semiconductoare sunt baza electronicii moderne, fiind părți componente în radiouri, computere, telefoane și multe altele. Dispozitivele semiconductoare sunt: tranzistorul, celulele solare, mai multe tipuri de diode, inclusiv dioda luminiscentă și circuit integrat. fotovoltaice sunt dispozitive semiconductoare care transformă energia luminii în energie electrică. Într-un conductor metalic, curentul este reprezentat de fluxul de electroni. Într-un semiconductor curentul este reprezentat fie de fluxul de electroni fie de fluxul de "goluri" din structura electronică a materialului.

Un semiconductor este un material care are conductivitatea electrica cuprinsa intre conductivitatea unui metal (ex. Cupru) si a unui izolator (ex. Sticla). Semiconductorii sunt fundatia electronicii moderne. Exista in doua tipuri materialele semiconductoare – elemente si compusi. Aranjamentul unic al atomilor din Siliciu si Germaniu fac ca aceste doua elemente sa fie cele mai folosite in prepararea materialelor semiconductoare. Noile descoperiri legate de semiconductori au facut posibila cresterea complexitatii si vitezei microprocesoarelor si dispozitivelor de memorie.

Conductivitatea electrica a unui material semiconductor creste odata cu cresterea temperaturii, comportamentul opus fata de metale. Dispozitivele semiconductoare pot avea multe proprietati folositoare, precumtrecerea curentului mai usor intr-o directie decat in cealalta, avand rezistente variabile, sensibilitate la lumina sau caldura. Din cauza ca proprietatile electrice ale unui material semiconductor se modifica din cauza impuritatilor, campurilor electrice sau luminii, dispozitivele facute din materialele semiconductoare pot fi folosite pentru amplificarea, transformarea sau conservarea energiei.

Conductivitatea curentului intr-un semiconductor are loc prin miscarea electronilor liberi (-) si a “golurilor” (+), acestia fiind cunoscuti ca si conductori de sarcina. Adaugand atomi impuri intr-un material semiconductor (procedeu numit dopare), numarul de conductori de sarcina dintr-un semiconductor poate creste substantial. Cand un semiconductor are majoritar goluri, acesta este numit semiconductor de tip p, iar cand un semiconductor are majoritar electroni liberi, acesta este numit semiconductor de tip n. Un singur semiconductor poate avea mai multe regiuni de tip p si de tip n; spatiul dintre aceste regiuni sunt responsabile de comportamentul electric.

Unele proprietati ale materialelor semiconductoare au fost observate de la jumatatea secolului XIX pana la prima decada a secolului XX. Dezvoltarea fizicii cuantice a permis dezvoltarea tranzistorilor in 1947. Desi unele elemente pure si multi compusi au proprietati semiconductoare, siliciul, germaniul si compusi ai galiului sunt cele mai folosite in dispozitivele electrice. Elementele aproape de “scara metalelor” in sistemul periodic al elementelor sunt de obicei folosite in semiconductori.

Denumirea din partea sudica din nordul Californiei este numita “Sillicon Valley” (Valea Siliciului) din cauza influentelor companiilor tehnologice care au sediul prinipal acolo. O parte integrala din dispozitivele tehnologice de astazi este facuta din semiconductori, in principal din siliciu. Unele dintre cele mai mari firme include Marvell Technology Group, National Semiconductor si Advanced Micro Devices (AMD).

Proprietati

Conductivitate variabila

Semiconductorii in starea naturala sunt conductori slabi deoarece un curent este necesar miscarii electronilor si semiconductorii au octetul satisfacut. Exista diferite moduri prin care semiconductorii se pot comporta ca si materialele conductoare (ex. doparea). Aceste modificari au doua finalitati: crearea semiconductorilor de tip n si p. Acestea se refera la exces sau insuficienta de electroni. Un numar neechilibrat de electroni poate cauza conducerea electronilor prin material.

Heterojunctia

Heterojunctia are loc cand doua tipuri de dopare a unui semiconductor are loc in acelasi material. Spre exemplu, o configuratie care consta in Germaniu de tip n si Germaniu de tip p. Din aceasta rezulta interschimbarea golurilor cu electronii liberi. Transferul are loc pana la atingerea echilibrulu printr-un proces numit recombinare, care face ca electronii din tipul n sa intre in contact cu golurile din tipul p. Un produs al acestui proces sunt ioni cu sarcina din care rezulta curent electric.

Electronii excitati

O diferenta in potentialul electric al unui material semiconductor poate distruge echilibrul termic si poate crea o situatie de dezechilibru. Aceasta introduce electroni si goluri in sistem, care interactioneaza printr-un proces numit difuzie ambipolara. Cand un echilibru termic este deranjat intr-un semiconductor, numarul de goluri si electroni se schimba. Aceasta distrugere poate avea loc ca un rezultat al diferentei de temperatura sau fotoni, care pot intra in sistem si sa creeze electroni liberi si goluri. Procesul care creaza si anihileaza electronii si golurile sunt numite generatie si recombinatie.

Emisia de lumina

In anumiti semiconductori, electronii excitati se pot relaxa prin emiterea de lumina, in loc de producerea caldurii. Acesti semiconductori sunt folositi in fabricarea LED-urilor (diodelor emitatoare de lumina) si punctelor cuantice fluorescente.

Conversia energiei termince

Semiconductorii au factori termo-electrici care ii fac folositori in generatoarele termo-electrice si de asemenea in racitoare termo-electrice.

Materiale

Un numar mare de elemente si compusi au proprietati semiconductoare, incluzand:

- Elemente pure din Grupul XIV al tabelului periodic; cele mai importante fiind siliciul si germaniul. Siliconul si Germaniul sunt folosite efectiv, deoarece au 4 electroni de valenta, astfel avand proprietatea de a primii si ceda electroni in aceasi masura.

- Compusii binari, in particular elemente dintre Grupul III si V, Grupurile II si VI, grupurile IV si VI si intre elemente diferite din Grupul IV.

- Compusi tetravalenti specifici, oxizi si aliaje.

- Semiconductori organici, facuti din compusi organici.

Cele mai cunoscute materiale semiconductoare sunt cristaline solide, dar si semiconductori lichizi si fara forme sunt de asemenea cunoscuti. Acestia include siliciul fara forma hidrogenat si amestecuri de arseniu, seleniu si telur intr-o varietate de proportii. Acesti compusi impart cu cateva materiale semiconductoare proprietati intermediare ale conductivitatii si variatia rapida dintre conductivitate si temperatura, dar de asemenea ocazional rezistenta negativa. Acestor materiale le lipsesc rigiditatea structurii cristaline conventionala a semiconductorilor, precum siliciul. Ele sunt in general folosite in structuri subtiri, care nu au nevoie de materiale cu conductivitate electrica mare, fiind relativ insensibile la impuritati si radiatii.

Fizica si semiconductorii

Semiconductorii sunt definiti prin comportamentul lor electro-conductiv unic, undeva intre cel al metalelor si al izolatorilor. Aceasta diferenta intre aceste materiale poate fi inteleasa prin stadiul cuantic al electronilor, fiecare continand zero sau un electron (Principiul Pauli). Aceste stari sunt asociate cu structura benzilor electronilor ale materialului. Conductivitatea electrica creste datorita prezentei electronilor in stare libera, desi pentru ca transportul de electroni sa aiba loc, materialul trebuie sa fie partial plin. Daca starea este mereu ocupata cu un electron, atunci trecerea altor electroni este blocata in acea stare.

Un semiconductor pur nu este util, deoarece nu este nici bun conductor, nici bun izolator. Dar o calitate importanta a semiconductorilor (si unele izolatoare cunoscute ca semi-izolatoare) este acea de a creste conductivitatea si controlul acesteia prin dopare cu impuritati si prin aplicarea campurilor electrice.

Purtatori de sarcina

Electronii umplu locurile de la baza benzii de conducere care poate fi inteleasa ca adaugarea electronilor pe acea banza. Electronii nu sunt statici (datorita recombinatiei termice naturale), acestia miscandu-se constant. Concentratia obisnuita de electroni este foarte scazuta, si (spre deosebire de metale) este posibil sa ne gandim la electronii dintr-o banda de conductie a unui semiconductor ca la un fel de “gaz ideal”, unde electronii zboara in jur liberi fara a se supune Principiului Pauli. In majoritatea semiconductorilor, benzile de conductie au o relatie de dispersie parabolica si astfel electronii raspund fortelor (campurilor electrice, magnetice etc.) la fel cum ar face in vid, cu mase efective diferite.

Vezi și[modificare | modificare sursă]

Bibliografie[modificare | modificare sursă]

M. Petrescu (coord) Tratat de știința și ingineria materialelor metalice vol 3 Metale. Aliaje. Materiale speciale. Materiale compozite, Editura Agir, București, 2009