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

Conductori, semiconductori, izolatori Benzile de energie. Conductori, semiconductori, izolatori 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. 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. Banda de conductie Nivele energetice Banda interzisa Eg Banda de valenta (nucleu) (Click pe fiecare termen daca doriţi sa aflaţi mai mult..)

Conductoare Izolatoare Semiconductoare În funcţie de gradul de ocupare cu electroni a benzilor de energie, corpurile solide pot fi împărţite în: conductoare, semiconductoare, izolatoare. Banda de conductie Conductoare Conductoarele (metalele) au deasupra benzii de valenţă complet ocupată cu electroni o bandă de conducţie parţial ocupată cu electroni. 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 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 Eg > 3 eV Eg < 3 eV Banda de valenta

Semiconductoare extrinseci ( cu impurităţi 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 intrinseci ( pure) Semiconductoare Semiconductoare extrinseci ( cu impurităţi de tip n de tip p

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

Cristal de siliciu ( germaniu ) 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. BV BC Benzi de energie (eV) Cristal de siliciu ( germaniu ) Si Eg

În semiconductoare sunt posibile două tipuri de conducţie electrică: 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. BV BC Fe Fe Benzi de energie (eV) Eg 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 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 BV BC Benzi de energie (eV) generare Eg recombinare unde ni – concentraţia intrinsecă

Semiconductor de tip n 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). Si Si As Si As Si

n = p + Nd - atomi donori BC - ioni ai atomilor donori Ed Eg BV 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 BC Ed Eg 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. BV n = p + Nd

Semiconductor de tip p 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) . Si Si B Si B Si

p = n + Na - atomi acceptori BC - ioni ai atomilor acceptori Ea Eg BV 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 BC Ea Eg 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. BV p = n + Na

Joncţiunea p-n 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.

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 (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 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. U Ub Ub-U la echilibru Tensiune directa 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. U Tensiune inversa Ub+U la echilibru Ub

Schema şi simbolul diodei p n Dioda funcţionează ca o supapă ce permite trecerea curentului electric într-un singur sens (când este polarizată direct). Schema şi simbolul diodei

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 UD Caracteristica statică liniarizată aproximează destul de bine, pentru curenţi lent variabili, caracteristica reală a diodei. Definim rezistenţa dinamică a diodei prin relaţia: 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. i u

Dideala Rdm UD (a) i (b) (c) 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) i u D.id Rdm UD i i UD u (b) (c)

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

Redresarea curentului alternativ 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. 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. 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. Redresorul propriu-zis este un element neliniar (sau mai multe) care permite trecerea curentului într-un singur sens. 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.. Spre sarcina Retea ~ Transformator Filtru de netezire Redresor

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.

a doua diagonală se conectează sarcina, R în cazul acesta. 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 a doua semiperioadă sunt polarizate invers diodele D2 şi D3 sunt 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/weteis/diode1.htm http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.ht

Caracteristica diodei Dioda semiconductoare Redresarea cu pynte http://www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCurrent.dcr Redresarea cu 2 diode http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_transfo.html LED http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/leds/basicoperation/ Caracteristica diodei http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbeit/da/weTEiS/weteis/diode1.htm Dioda semiconductoare http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html