Elemente de electronică analogică - Elemente de electronică corpului solid - PDF

Elemente de electronică analogică Elemente de electronica corpului solid Purtători de sarcină în semiconductoare Cuprins: -cum se realizeaza conductia in metale, izolatoare, semicond intrinseci + infl temperaturii asupra conductiei; tipul de legaturi atomice -mecanismul de for...

Elemente de electronică analogică Elemente de electronica corpului solid Purtători de sarcină în semiconductoare Cuprins: -cum se realizeaza conductia in metale, izolatoare, semicond intrinseci + infl temperaturii asupra conductiei; tipul de legaturi atomice -mecanismul de formare a golurilor; generare si recombinare; curent de electroni si de goluri -benzi energetice - pentru metale, izolatoare, semiconductoare intrinseci -doparea semiconductoarelor: de ce e necesara? Cum se realizeaza? Infl. asupra concentratiei de purtatori, tipului de curenti si . -mobilitatea electronilor si golurilor; explicatii si relatii -relatii esentiale i, j, , m. -difuzia: explicatii, importanta -curenti de camp si de difuzie -ec de continuitate : explicatie, semnificatie Lp,p După conductibilitatea electrică corpurile solide sunt: conductoare -   10 / cm la t amb 3 ` - ne  1022 / cm3 (electroni liberi) - neutre electric local şi general - conductibilitatea scade cu temperatura 1 ( j = qnv = qn n E = E = E)  (în jurul ionilor pozitivi care nu participă la conducţie se mişcă electroni mobili) −10 semiconductoare -   10  10 / cm (la temperatura ambiantă) 3 −10 - pentru T  100 K rezultă   10 / cm 0 -  depinde pronunţat de temperatură izolante - nici la temperaturi foarte mari nu prezintă o conductibilitate electrică importantă Această comportare este determinată de natura legăturilor dintre atomi: 1 Elemente de electronică analogică la metale (conductoare) există legătura metalică, foarte slabă în care electronii formează un nor electronic şi pot participa uşor la conducţie; la izolatoare (materiale izolante) este specifică legătura ionică, foarte stabilă până la temperaturi foatrte mari; poate să apară, eventual, o conducţie ionică; semiconductoarele pot fi constituite: - dintr-un singur tip de atomi din grupa a patra (Ge sau Si) - din tipuri de atomi din grupe apropiate (de exemplu, din grupele III, V, exemplul tipic fiind semiconductorul GaAs); Între aceste tipuri de atomi se pot stabili legături covalente care constau din punerea în comun a unuia dintre electronii de valenţă. O altă explicaţie a diferentei intre conductia intr-un metal si un semiconductor se poate da folosind teoria benzilor energetice dintr-un corp solid. conductoare: la temperatura absolută 00 K toate nivelele din BV sunt ocupate şi cele din BC sunt libere; nivelul Fermi separă cele două benzi; dacă T creşte, apar electroni de conducţie care pot participa la conducţie. semiconductoare (izolatoare): la temperatura absolută 00 Kelvin toate nivelele din BV sunt ocupate şi cele din BC sunt libere; poziţia nivelului Fermi nu este precizată; electronii nu pot ocupa nivele din BI; la energie termică suficient de mare (foarte mare) este posibil ca unii electroni să treacă din BV în BC. Numărul acestora depinde de ΔW: - la germaniu: ΔW = 0,67 eV - la siliciu: ΔW = 1,1 eV - diamant: ΔW = 6-7 eV 2 Elemente de electronică analogică Pentru a se elibera un electron din legătura covalentă este necesar un surplus de energie. La temperaturi mai mari de 1000K, datorită agitaţiei termice, electronii din stratul de valenţă devin electroni liberi şi formează o sarcină electronică reală mobilă. În aceste condiţii, la aplicarea unui câmp electric, electronii liberi se deplasează ordonat şi formează un curent electric de natură electronică; Cand un electron trece in banda de conductie, ramane o legatura covalenta intrerupta. Un electron de valenţă vecin, de pe altă legătură covalentă, poate efectua o tranziţie (tot datorită agitaţiei termice) şi ocupă locul rămas liber; daca exista si un câmpul electric aplicat, se constată că are loc o deplasare de ‘sarcină pozitivă’ în sensul câmpului electric, adică un electron devenit liber determină efectuarea mai multor tranziţii ca şi când locurile libere s-ar deplasa. Se asociază acestei deplasări a unei sarcini pozitive noţiunea de gol, adică un purtător de sarcină pozitivă care determina o componentă a curentului electric. De remarcat că golul nu este o particulă elementară ci este un concept care simulează deplasarea locurilor goale din structura semiconductorului prin ocuparea lor de către electroni care se află deja pe alte nivele energetice. Ge (Si) Semiconductorii in forma intrinseca nu sunt foarte utili. Creerea de dispozitive electronice presupune folosire de semiconductori in care exista zone cu impuritati. In functie de cum sunt conectate intre ele se pot obtine dispozitive electronice importante: diode, tranzistoare, etc. Prin impurificare (procedee tehnologice), proprietăţile electrice ale semiconductoarelor se modifică foarte mult fiind două posibilităţi: În cazul în care se introduc impurităţi ale căror nivele energetice permise în BV sunt foarte aproape de BC (elemente pentavalente, Bi, Sb, As, P) în care al cincilea electron trece uşor în banda de conducţie, se obţin electroni de conducţie chiar la temperaturi scăzute deşi nu au apărut goluri în banda de valenţă adică procesul de generare de perechi de purtători nu este semnificativ. Se spune că impurităţile sunt de tip donor şi că, la temperatura camerei, sunt ionizate complet 3 Elemente de electronică analogică (pt ca ΔW ~ 20-30 meV). Rezultă că, în semiconductor, numărul de purtători mobili electroni este mai mare decât cel de goluri. a) impurificare cu substanţe pentavalente (Bi, Sb, As, P) - donoare - al 5-lea electron trece uşor în BC – apar electroni de conducţie - la temp. camerei – toate impurităţile sunt ionizate - procesul de generare de perechi nesemnificativ (încă) semiconductor extrinsec - purtătorii majoritari – electronii – semic de tip N - purtătorii minoritari – golurile n >> p b) impurificare cu substanţe trivalente (B, Al, In, Ga) - acceptoare - apare uşor un gol în BV – pot participa la conducţie - la temp. camerei – toate impurităţile sunt ionizate - procesul de generare de perechi nesemnificativ (încă) semiconductor extrinsec - purtătorii majoritari –– golurile – semic. de tip P - purtătorii minoritari – electronii n > 𝑝0 → 𝑆𝑝 ≅ −𝛾𝑛0 𝛥𝑝 = −𝛾𝑛0 (𝑝 − 𝑝0 ) 𝑝−𝑝0 1 1 Dar: 𝑆𝑝 = − → 𝜏𝑝 = ≅ 𝜏𝑝 𝛾𝑛0 𝛾𝑁𝑑 Forma generală a ecuaţiilor de continuitate: 11 Elemente de electronică analogică → 𝜕𝑝 𝑝−𝑝0 𝑑𝑖𝑣 𝑗 𝑝 =− − 𝜕𝑡 𝜏𝑝 𝑞 → 𝜕𝑛 𝑛 − 𝑛0 𝑑𝑖𝑣 𝑗 𝑛 =− + 𝜕𝑡 𝜏𝑛 𝑞 Aplicaţie: - regim staţionar - semic. de tip N - model unidimensional - câmp electric slab 𝑑𝑝 𝑑𝑝 𝑗𝑝 = 𝑞𝑝𝑛 𝜇𝑝 𝐸 − 𝑞𝐷𝑝 𝑛 ≅ −𝑞𝐷𝑝 𝑛 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑝𝑛 − 𝑝𝑛0 1 𝑑𝑗𝑝 0=− − 𝜏𝑝 𝑞 𝑑𝑥 𝑝𝑛 −𝑝𝑛0 1 𝑑 𝑑𝑝𝑛 + (−𝑞𝐷𝑝 )=0 𝜏𝑝 𝑞 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑑 2 𝑝𝑛 𝑝𝑛 − 𝑝𝑛0 − =0 𝑑𝑥 2 𝜏𝑝 Se notează: 𝐿𝑝 = √𝐷𝑝 𝜏𝑝 lungimea de difuzie a golurilor 𝑥 − 𝑝𝑛 (𝑥) = 𝑝𝑛𝑜 + [𝑝𝑛 (0) − 𝑝𝑛0 ]𝑒 𝐿𝑝 CONCLUZII - Semiconductoarele au o conductivitate redusa, care insa creste puternic cu temperatura - In semiconductoare, cand un electron trece din banda de valenta in cea de conductie, apare un “gol”; exista current de electroni si current de goluri, care se aduna - In semiconductorul intrinsic n0 = p0 - Semiconductoarele dopate N, au un exces de electroni liberi Nd, dati de + impuritati; ei domina conductia la temparaturi uzuale n0  N d ; la 12 Elemente de electronică analogică temperature f mari sunt importante si perechile de electoni si goluri generate termic - Semiconductoarele dopate P, au un exces de goluri Na, date de impuritati; ele domina conductia la temparaturi uzuale; la temperature f mari sunt importante si perechile de electoni si goluri generate termic - Daca semiconductorul nu e dopat uniform (de ex daca alaturam o zona N cu una P) apare o difuzie a purtatorilor (electroni si goluri) care tind sa se imprastie uniform, dar ajung la un echilibru deoarece prin deplasarea lor apare un camp electrostatic care se opune difuziei; in multe dispositive curentul de difuzie este foarte important si poate fi mult mai mare decat de conductie - In general curentul este suma intre curentul de camp (similar celui din metale) si curentul de difuzie. Ambele au, in cazul general, o componenta de electoni si una de goluri. - Purtatorii care trec prin difuzie dintr-o zona in alta, se recombina si timpul lor de viata depinde de 𝜏𝑝 sau n adica de durata efectivă de viaţă a purtătorilor în exces. Similar pentru orice proces de generare de puratori in exces, care se opreste. - De asemenea, purtatorii care trec prin difuzie dintr-o zona in alta, datorita recombinarii, au o lunime maxima de patrundere care depinde de Lp (sau Ln) lungimea de difuzie a lor. 13