MATERIALE SEMICONDUCTOARE

Materialele semiconductoare stau la baza realizării de dispozitive electronice şi de circuite integrate. Acestea se caracterizează prin valori ale conductivităţii electrice cuprinsă în intervalul de valori σ = (10-6 - 105) Ω-1 m-1. Conductivitatea electrică a semiconductoarelor este puternic dependentă de condiţiile exterioare (temperatură, câmp electric, câmp magnetic etc) şi de structura internă a acestora (natura elementelor chimice componente, defecte, impurităţi etc). La realizarea de dispozitive şi circuite electronice se poate folosi numai o parte dintre materialele semiconductoare care îndeplinesc condiţiile de conductivitate. Pe lângă aceste condiţii materialele semiconductoare folosite în electronică trebuie să prezinte legături covalente şi o structură cristalină perfectă.

Caracteristici ale materialelor semiconductoare Cele mai folosite materiale semiconductoare au la bază elementele chimice: grupa a IV-a: germaniul (Ge), siliciu (Si) grupa a VI-a: seleniul (Se) compuşi binari ai elementelor din grupele III - V a sistemului periodic: GaAs, InSb.

Materialele semiconductoare cu structuri cristaline specifice: structura cubică tip diamant (C, Ge, Si), tip blendă (Si C, Ga Sb, Ga As), tip wurzit (ZnS, ZnSe)

Structura materialelor semiconductoare. Conducţia electrică Materialele semiconductoare se utilizează pentru realizarea dispozitivelor electronice care au la bază fenomenul de conducţie comandată. Într-un semiconductor, curentul electric este determinat de electronii de conducţie şi de goluri, sarcini generate prin mecanismul intrinsec (rupere de legături) sau extrinsec (atomi de impuritate).

Impurităţi active: νdn = μn * E donoare - cu valenţa V: P, As, Sb, Bi; acceptoare - cu valenţa ///: B, Al, Ga, In. În prezenţa unui câmp electric E sarcinile electrice (electronii şi golurile) sunt accelerate, realizându-se procesul de conducţie electrică. Viteza medie ordonată a electronilor de conducţie şi a golurilor este determinată de câmpul electric aplicat. Aceasta reprezintă viteză de drift, care pentru electroni este vdn: νdn = μn * E iar pentru goluri este νdp : νdp = μp * E

Semiconductori intrinseci În procesul de conducţie electrică, în semiconductorii intrinseci densitatea curentului electric este egală cu suma între densitatea de curent a electronilor şi a golurilor: unde : n este concentraţia de electroni de conducţie din banda de conducţie; p este concentraţia de goluri din banda de valenţă; qo=e este sarcina electrică a electronului, respectiv, a golului, 1,60 x10 -19 C; vn, vp sunt vitezele de drift medii ale electronilor, respectiv ale golurilor.

Conductivitatea electrică σ este dată de suma dintre conductivitatea electronică σn şi cea a golurilor σp: Deoarece în semiconductoarele intrinseci prin ruperea legăturilor atomice numărul electronilor liberi este egal cu numărul golurilor, este valabilă relaţia n= p= ni, astfel:

Modelul benzilor energetice al conducţiei electrice în semiconductoarele intrinseci: T=0 K; E=0 T≠0 K; E=0 T≠ 0 K; E ≠ 0 Concentraţia electronilor de conducţie creşte exponenţial cu temperatura şi scade exponenţial cu creşterea intervalului Fermi.

Pentru semiconductorii intrinseci, concentraţia de electroni este numeric egală cu cea a golurilor: n=p=ni unde ni este concentraţia intrinsecă de purtători de sarcină.

Observaţii: Mobilităţile electronilor sunt întotdeauna mai mari decât mobilităţile golurilor, de aceea dispozitivele semiconductoare la care purtătorii majoritari sunt electroni pot funcţiona la frecvenţe mai mari decât a celor la care purtătorii sunt goluri. Pentru siliciul intrinsec mobilitatea electronilor, de 0,135 m2/(V*s), este de 2,81 ori mai mare decât mobilitatea golurilor, care este de 0,048 m2/(V*s) la 300 K. Pentru GaAs intrinsec mobilitatea electronilor, de 0,85 m2/(V*s), este de 6,3 ori mai mare decât mobilitatea electronilor la siliciu; Raportul între mobilitatea electronului şi a golului la germaniul intrinsec este 2,05 la 300 K.