MATERIALE SEMICONDUCTOARE Tehnologie electronică - Curs 3

Tehnologie electronică - Curs 3 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. Tehnologie electronică - Curs 3

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. Tehnologie electronică - Curs 3

Tehnologie electronică - Curs 3 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) Tehnologie electronică - Curs 3

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). Tehnologie electronică - Curs 3

Tehnologie electronică - Curs 3 Impurităţi active: 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 Tehnologie electronică - Curs 3

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. Tehnologie electronică - Curs 3

Tehnologie electronică - Curs 3 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: Tehnologie electronică - Curs 3

Tehnologie electronică - Curs 3 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. Tehnologie electronică - Curs 3

Tehnologie electronică - Curs 3 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. Tehnologie electronică - Curs 3

Tehnologie electronică - Curs 3 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. Tehnologie electronică - Curs 3