Curs 14 Sef Luc Dr. Petru A. COTFAS Fizica Generala Curs 14 Sef Luc Dr. Petru A. COTFAS

Elemente de fizica stării solide

Elemente de fizica stării solide Starea solidă este o stare condensată a materiei, caracterizată prin interacţii interatomice suficient de puternice pentru a conferi materialului un volum propriu şi o formă proprie. Corpurile solide pot fi: (i) cristaline, care sunt caracterizate printr-o stuctură ordonată, pe domenii întinse având aceeaşi configuraţie (ii) amorfe, care prezintă o structură de ordine numai pe domenii foarte restrânse, configuraţia fiind diferită în spaţiu. un cristal este perfect dacă reţeaua cristalină se prelungeşte neîntreruptă în tot materialul. Reţeaua cristalină se caracterizează prin constantele de reţea, care sunt distanţe caracteristice între atomii reţelei. Cristalele reale prezintă unele abateri de la această structură ideală. Atomi străini (impurităţi), care ocupă locuri în reţea dislocaţii în reţeua cristalină, adică plane de atomi care au alunecat faţă de alte plane ale reţelei cristaline.

Elemente de fizica stării solide Forţele responsabile de aranjarea atomilor în cristal determină trei tipuri de cristale: (i) cristale ionice, (ii) cristale covalente (iii) cristale metalice. Cristalele ionice sunt formate din ioni pozitivi şi ioni negativi ai elementelor chimice, aranjaţi altenativ. Cristalele ionice sunt izolatoare la orice temperatură, deoarece în structura lor nu se găsesc electroni liberi. Cristalele metalice sut formate din ioni care pun în comun electronii lor de valenţă. Aceşti electroni formează un nor electronic uniform distribuit în reţeaua cristalină. Nefiind legaţi de un atom anume, aceşti electroni se mişcă liberi prin metal, ei putând circula printre ionii reţelei metalice şi pot conduce curentul electric. Astfel metalele conduc curentul electric la orice temperatură.

Elemente de fizica stării solide Cristalele covalente se realizaeză cu atomi ai grupei a patra a sistemului periodic. Aceşti atomi au câte patru electroni de valenţă. În reţeaua cristalină fiecare atom este înconjurat de patru vecini (cei mai apropiaţi) cu care pune în comun câte un electron de valenţă. La anumite temperaturi, nu foarte ridicate, unii dintre electronii de valenţă pot rupe legătura covalentă şi devin electroni liberi în cristal. Locul rămas liber în legătura covalentă de unde a plecat electronul se numeşte gol de conducţie. Atât electronii liberi cât şi golurile de conducţie participă la conducţia curentului electric din cristalul covalent. Cele mai importante cristale de acest tip se numesc cristale semiconductoare

Elemente de fizica stării solide Pentru corpurile solide – o caracteristica importanta este rezistivitatea electrica, ρ si dependenta acesteia de temperatura Rezistivitatea electrică reprezintă intensitatea câmpului electric pe unitatea de densitate de curent. Cu cât rezistivitatea electrică este mai mare, cu atât este mai intens câmpul electric necesar pentru stabilirea unei densittăţi de curent date. În SI unitatea de măsură pentru rezistivitatea electrică este [ρ] = 1 Ω m. Cu cât rezistivitatea electrică a unui material este mai mare, cu atât conductivitatea electrică este mai redusă. Conductivitatea electrică a unui material reprezintă posibilitatea ca sarcinile electrice să fie mobile prin corpuri realizate din aceste materiale, astfel încât să conducă curentul electric prin corp, la aplicarea unei diferenţe de potenţial.

Elemente de fizica stării solide In cazul metalelor rezistivitatea electrică variază cu temperatura după legea: unde ρ0 este rezistivitatea la temperatura de referinţă T0, α este coeficientul termic al rezistivităţii, iar ΔT= T- T0, este diferenţa dintre temperatura T la care este exprimată rezistivitatea electrică şi temperatura de referinţă.

Elemente de fizica stării solide Semiconductori formează o clasă aparte în ceea ce priveşte conducţia electrică. Sarcinile electrice de conducţie din semiconductori, sau purtătorii, sunt electronii de conducţie şi golurile. Procesul de generare de electroni de conducţie şi de goluri constă în ruperea legăturilor covalente dintre anumiţi atomi, rolul principal fiind jucat de temperatura la care se află semiconductorul: cu cât temperatura este mai mare cu atât creşte numărul de legături covalente din care unii electroni de valenţă sunt puşi în libertate, ei devenind electroni de conducţie. Locurile lăsate vacante de aceşti electroni poartă numele de goluri de conducţie

Semiconductori intrinseci (puri). structura unui cristal de Si pur ne arata ca prin realizarea legăturilor covalente atomii sunt astfel aşezaţi încât fiecare atom de Si este înconjurat de patru atomi vecini de Si, cu fiecare având în comun câte un electron de valenţă. Astfel structura de pe stratul exterior al fiecărui atom de Si este una de octet => fiecare atom de Si se comportă ca şi cum ar avea el singur toţi cei opt electroni pe stratul de valenţă, deşi ai lui sunt doar patru (o structură cu un număr de opt electroni pe ultimul strat conferă atomului o stabilitate deosebită). Semiconductorii puri, sau intrinseci, se caracterizează prin egalitatea numărului de purtători de sarcină electrică negativă şi pozitivă (ni = ne = np). Conductivitatea semiconductorilor puri este redusă (o parte din electronii de valenta sunt liberi) Conducţia electrică din semiconductorii puri se numeşte conducţie intrinsecă.

Semiconductori Semiconductori cu impurităţi Pentru a mări conductivitatea electrică a semiconductorilor se realizează cristale covalente în care se introduc impurităţi în procesul de solidificare (Arseniu –grupa V, Galiu – grupa III) => un semiconductor impurificat sau extrinsec Impuritati din grupa a V-a - semiconductor de tip n (electroni liberi) Impuritati din grupa a III-a - semiconductor de tip p (goluri libere) Acest tip de conducţie electrică, prin intermediul impurităţilor de concentraţie controlată se numeşte conducţie extrinsecă, iar semiconductorii impurifiaţi cu impurităţi de tip p sau de tip n se numesc semiconductori extrinseci. Putatorii de sarcina rezultati – purtatori majoritari

Dispozitive cu semiconductori Joncţiunea semiconductoare p-n formată dintr-un cristal de germaniu (sau siliciu) ce a fost impurificat într-o regiune cu atomi pentavalenţi (de tip n) şi în alta cu atomi trivalenţi (de tip p), regiunile fiind separate de o zonă numită joncţiune. La contactul celor două zone se realizează o regiune de baraj (zona de saracire): în zona n se află o sarcină electrică pozitivă netă (obţinută prin difuzia electronilor în zona p), iar în zona p se află sarcină electrică negativă (obţinută prin difuzia golurilor spre zona n). În joncţiune ia naştere un câmp electric orientat dinspre zona n spre zona p.

Dispozitive cu semiconductori Dioda semiconductoare Dacă se conectează o joncţiune p-n într-un circuit electric exterior, se obţine o diodă semiconductoare Aplicând o tensiune variabilă în circuitul din figura, se constată că dispozitivul conduce curentul electric dacă polarizarea este cu potenţialul pozitiv la zona p.

Dispozitive cu semiconductori Functionare Atunci când regiunea p se află la un potenţial pozitiv, deci mai ridicat decât regiunea n, se reduce valoarea potenţialului electric din zona de baraj a diodei, astfel că este facilitată trecerea golurilor din regiunea p către regiunea n, iar a electronilor din zona n către regiunea p. Atunci când se inversează polaritatea aplicată pe diodă, câmpul electric din zona de baraj creşte şi mai mult, împingând electronii din zona p în zona n şi golurile din regiunea n spre regiunea p. Dar în regiunea n concentraţia de goluri este foarte redusă (se datoreză numai conductivităţii intrinseci şi migraţiei din zona p). În mod similar, în zona p concentraţia de electroni este redusă. De aceea la polarizare negativă pe zona p a diodei se obţin curenţi foarte reduşi http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html

Dispozitive cu semiconductori Relaţia dintre tensiunea şi intensitatea curentului electric prin diodă este de forma: unde I0 este o constantă caracteristică tipului de semiconductor, e este sarcina electronului, k este constanta lui Boltzmann, iar T este temperatura absolută.

Dispozitive cu semiconductori Tranzistorul Un tranzistor este un dispozitiv format din două joncţiuni p-n, aşezate în configuraţia p-n-p sau n-p-n. Cele trei zone ale tranzistorului se numesc bază, emitor şi colector.

Dispozitive cu semiconductori Se observă că tensiunea bază-colector este cu polarizare inversă, ceea ce va determina ca în absenţa sursei dintre emitor şi bază, prin colector să treacă un curent foate redus. Aceste curent reprezintă efectul polarizării inverse a unei joncţiuni p-n. Dacă între emitor şi bază se aplică o tensiune directă, Ue, atunci golurile din emitor se pun în mişcare şi trec prin bază, spre joncţiunea bază-colector. Ele trec apoi şi prin colector, generând un curent electric prin rezistenţa din circuitul bază colector. Astfel prin circuitul colectorului trece un curent a cărui intensitate este controlată de curentul din circuitul emitorului. Tensiunea din circuitul colectorului, Uc, controlează puterea electrică disipată pe rezistorul R. Dacă Uc >Ue, tranzistorul funcţionează ca amplificator de tensiune.