< Electronică Analogică

2 Fizica semiconductorilor

2.1 Fizica cuantică

Invenţia dispozitivelor semiconductoare a constituit cu siguranţă o nouă revoluţie industrială. Aceste dispozitive au făcut posibilă miniaturizarea aparatelor electronice, încluzând calculatoarele personale, dezvoltarea echipamentelor medicale de diagnoză şi tratament, apariţia dispozitivelor de telecomunicaţii moderne şi multe altele.

Dar în spatele acestor realizări remarcabile se află o altă revoluţie a ştiinţei în general: fizica cuantică. Fără această nouă înţelegere a lumii, dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare nu ar fi fost posibilă. Fizica cuantică este însă un domeniu al ştiinţei extrem de complicat, iar acest capitol reprezintă doar o mică introducere. Fără o înţelegere de bază a fizicii cuantice, sau cel puţin o înţelegere a descoperirilor ştiinţifice ce au dus la formularea acesteia, este imposibilă inţelegerea funcţionării dispozitivelor electronice semiconductoare. Majoritatea textelor de electronică încearcă să explice semiconductorii cu ajutorul fizicii „clasice”, lucru ce duce la o confuzie şi mai mare, nu la înţelegerea subiectului.

Modelul atomului

Majoritatea dintre noi am văzut modele ale atomului care arată aproximativ asfel:

Acesta este cunoscut sub numele de „modelul lui Rutherford”. Centrul atomului este format din particule de materie minuscule denumite protoni şi neutroni; electronii orbitează în jurul nucleului precum planatele în jurul Soarelui. Nucleul prezintă o sarcină electrică pozitivă datorită prezenţei protonilor, neutronii neavând sarcină electrică, iar electronii ce orbiteză în jurul nucleului poartă o sarcină negativă, întreg ansamblul fiind asfel echilibrat din punct de vedere al sarcinilor electrice. Electronii sunt atraşi de protoni la fel cu planetele sunt atrase prin intermediu gravitaţiei de Soare, dar orbitele sunt stabile datorită mişcării electronilor. Acest model extrem de popular al atomului a fost prezentat pentru prima dată de Ernest Rutherford, ce a determinat pe cale experimentală, în jurul anului 1911, că sarcinile pozitive ale atomului sunt concentrate într-un nucleu dens şi de dimensiuni reduse, în contradicţie cu modelul propus de J.J. Thompson, care susţinea că aceste sarcini sunt distribuite egal în interiorul atomului.

Experimentul de împrăştiere al lui Rutherford a presupus bombardarea unei folii subţiri de aur cu particule Alfa, încărcate pozitiv. Rezultatele au fost neaşteptate. O mică parte din particule au fost deviate la unghiuri foarte mari. Câteva dintre particulele Alfa au fost deviate înapoi, la aproape 180^o, dar majoritatea particulelor au trecut pur şi simplu prin folia de aur nedeviate, indicând faptul că cea mai mare parte a foliei era compusă din aer. Faptul că o mică parte a particulelor Alfa au fost deviate la unghiuri foarte mare nu se putea explica decât prin prezenţă unui nucleu minuscul, încărcat cu sarcină pozitivă.

Cu toate că acest model al atomului era mai precis decât cel al lui Thompson, totuşi, nici acesta nu era perfect. Au fost întreprinse, prin urmare, noi experimente pentru determinarea structurii atomice corecte, iar aceste eforturi au dus la descoperirile bizare al fizicii cuantice. Astăzi, modelul atomului, aşa cum este el înţeles cel puţin, este destul de complex. Totuşi, comparaţia atomului „lui Rutherford” cu sistemul solar continuă să domine chiar şi în mediile academice.

De exemplu, următoarea descriere este luată dintr-o carte de electronică:

/Electronii negativi ce orbitează în jurul nucleului pozitiv sunt atraşi de acesta, ceea ce ne face să ne întrebăm: de ce eletronii nu cad pe nucleul atomului? Răspunsul este că electronii rămân pe orbitele lor stabile datorită existenţei celor două forţe egale şi de sens contrar: forţa centrifugă exercitată asupra electronilor aflaţi în mişcare pe orbite ce anulează forţa centripetă ce atrage elecronii spre nucleu datorită sarcinilor opuse./

Urmând modelul lui Rutherford, autorul consideră electronii ca fiind bucăţi solide de materie ce se deplasează pe orbite circulare, atracţia faţă de nucleul încărcat cu o sarcină de semn contrar fiind balansată de mişcarea lor. Referirea la „forţa centrifugă” nu este corectă din punct de vedere tehnic (nici chiar pentru planete), dar este uşor de trecut cu vedere datorită popularităţii ei. În realitate, nu există nicio forţă care să împingă un corp, orice corp, departe de centrul orbitei acestuia. „Iluzia” este dată de faptul că un corp ce are inerţie tinde să se deplaseze în linie dreaptă, iar din moment ce o orbită este o deviaţie (acceleraţie) a deplasării în linie dreptă, există tot timpul o opoziţie faţă de forţa de atracţia a corpului spre centrul orbitei, fie că este forţă gravitaţională, atracţie electrostatică, sau orice altă forţă.

Însă, adevărata problemă a acestei explicaţii este idea că orbitele electronilor sunt circulare. Faptul că sarcinile electrice accelerate emit radiaţie electromagnetică se ştie încă de pe vremea lui Rutherford, iar acest lucur se poate dovedi pe cale experimentală. Din moment ce mişcare orbitală este o formă de acceleraţie (corpul ce orbitează este într-o accelarţie constantă faţă de mişcarea normală, liniară), electronii aflaţi în stare de orbitare ar trebui să „arunce” radiaţie precum o roată aflată în noroi. Dacă electronii ar pierde energie în acest mod, acesţia s-ar apropia din ce în ce mai mult de nucleu, rezultatul fiind o coliziune cu nucleul pozitiv. Totuşi, acest lucru nu se întâmplă în general în atomi. Într-adevăr, orbitele electronilor sunt extrem de stabile.

Mai mult decât atât, experimentele cu atomi „excitaţi” au demonstrat că energia electromagnetică emisă de un atom posedă doar anumite frecvenţe specifice. Atomii excitaţi de influenţe externe, precum lumina, absrob această energie şi emit unde electromagnetice de frecvenţe specifice. Când energia emisă de un atom este descompusă în frecvenţele sale (culori) cu ajutorul unei prisme, spectrul culorilor este compus din linii distincte, acestea fiind unice elementului respectiv. Acest fenoment este în general folosit pentru identificarea elementelor atomice, şi chiar şi pentru determinarea proporţiilor fiecărui element dintr-o compoziţie chimică. Conform modelului lui Rutherford şi a legilor fizicii clasice, domeniu frecvenţelor acestor atomi excitaţi ar trebui să fie practic nelimitat. Cu alte cuvinte, dacă modelul lui Rutherford ar fi fost corect, spectrul luminii emise de oricare atom ar apărea ca o bandă continuă de culori şi nu doar sub forma câtorva linii distincte.

Niels Bohr a încercat să îmbunătăţească modelului lui Rutherford după ce a studiat o perioadă de câteva luni în laboratorul acestuia în 1912. Încercând să armonizeze şi descoperirile celorlalţi fizicieni, precum Max Plank şi Albert Einstein, Bohr a sugerat că fiecare electron posedă o anumită energie specifică, iar orbitele lor sunt cuantificate asfel că fiecare dintre electroni poate ocupa doar anumite locuri în jurul nucleului. Pentru a scăpa de implicaţiile mişcării electronilor datorită legilor electromagnetismului şi a particulelor accelerate, Bohr a considerat aceste orbite (orbitali) ca fiind staţionare.

Cu toate că încercarea lui Bohr de reconstruire a structurii atomului în termeni cât mai apropiaţi de rezultatele experimentale, a constituit un pas foarte împortant pentru fizică, acesta nu a fost totuşi complet. Analizele sale matematice au condus la predicţii mult mai bune a evenimentelor experimentale decât modelele precedente ale atomului, dar câteva întrebări despre modul ciudat al comportamentului electronilor încă nu îşi găsiseră răspunsul. Susţinerea faptului că electroni existau în stări staţionare şi cuantificate în jurul nucleului era un pas înainte, dar motivul pentru care electronii se comportau asfel nu era încă cunoscut. Răspunsul acestor întrebări avea să-l dea un alt fizician, Louis de Broglie., cu aproximativ zece ani mai târziu.

De Broglie a propus că electronii, precum fotonii (particule de lumină), manifestă atât proprietăţi ale particulelor cât şi proprietăţi ale undelor. Bazându-se pe această interpretare, acesta a sugerată că o analiză a orbitalilor electronilor din punct de vedere al undelor şi nu al particulelor, ar răspunde mai multor întrebări legate de natura lor. Într-adevăr, acesta a reprezentat un nou pas în dezvoltarea unui model al atomului.

Ipoteza lui de Broglie a făcut posibilă introducerea suportului matematic şi analogiilor fizice pentru stările cuantificate al electronilor dintr-un atom, dar nici modelul acestuia nu era complet. În decurs de câţiva ani însă, fizicientii Werner Heisenberg şi Erwin Schrodinger, fiecare lucrând individual, au creat un model matematic mult mai riguros pentru particulele subatomice, plecând de la conceptul dualităţii undă-particulă a lui de Broglie.

Avansul teoretic de la modelul staţionar al undei propus de Brogile la modelul matricial al lui Heisenber la ecuaţiile diferenţiale ale lui Schrodinger, este cunoscut sub numele de mecanică cuantică şi introduce o carcateristică aparent şocantă a lumii particulelor subatomice, şi anume probabilitatea sau incertitudinea. Conform teoriei mecanicii cuantice, poziţia exacţă şi momentul exact al particulelor sunt imposibil de determinat în acelaşi timp. Explicaţa acestui „principiu al incertitudinii” constă într-o eroare de măsură cauzată de obicei de procesul de măsurare, şi anume, prin încercarea de măsurare exactă a poziţiei unui electron, are loc o interferenţă cu momentul acestuia şi prin urmare nu putem şti care a fost momentul acestuia înainte de efectuarea măsurătorii, şi invers. Implicaţia suprinzătoare a mecanicii cuantice este că particulele nu au de fapt o poziţie şi un moment precis, ci aceste două cantităţi sunt echilibrate asfel încât incertitudinea lor combinată nu scade niciodată sub o anumită valoare minimă.

Valoarea minimă a incertitudinii poziţiei şi momentului unei particule, exprimată de Heisenberg şi Schrodinger, nu are nimic de a face cu aparatele de măsură „neperformante”, ci este o proprietate intrinsecă a dualităţii undă-particulă. Electronii, prin urmare, nu există în orbitele lor ca şi „bucăţi” de materie precis delimitate, şi nici măcare sub formă de unde bine delimitate, ci sub formă de nori cu o distribuţie de probabilităţi, ca şi cum fiecare electron ar fi „împrăştiat” pe o suprafaţă mare de poziţii şi momente.

Poziţia radicală conform căreia, electronii existau sub formă de nori, părea să vină în contradicţie cu principiile originale a stărilor cuantificate ale electronilor: faptul că electronii există sub forma „orbitelor” discrete şi bine definite în jurul nucelului atomului. Această din urmă explcaţia a fost cea care a dus constituit, până la urmă, punctul de placare al mecanicii cuantice. Totuşi, comportamtenul „cuantic” al electronilor nu depinde de o anumită poziţie şi moment, ci depinde de cu totul altă proprietate, numerele cuantice. Pe scurt, mecanica cuantică înlătură noţiunile „clasice” de poziţie şi moment absolut înlocuindu-le pe acestea cu noţiuni ce nu au nicio analogie în viaţa reală.

Cu toate că electronii există sub formă de „nori” cu probabilităţi distribuite şi nu sub formă de materie discretă, aceşti nori au unele caracteristicei ce sunt discrete. Oricare electron dintr-un atom poate fi descris de patru numere cuantice, şi anume: număr cuantic principal, orbital, magnetic şi de spin. Toate aceste numere luate împreună determină starea unui electron la un moment dat.

Numărul cuantic principal

Simbolizat prin litera n, acest număr descrie stratul pe care se află un electron. Învelişul electronic este un spaţiu din jurul nucleului atomului, format din straturi, ce determină poziţiile în care electronii pot exista. Electronii se pot deplasa de pe un strat pe altul, dar nu pot exista în regiunile dintre straturi.

Numărul cuantic principal al electronului este un număr întreg pozitiv (1, 2, 3, 4…). Asfel, fiecare electron poate exista pe unul dintre aceste straturi, în funcţia de componenţa atomului. Aceste valori nu au fost alese arbitrar, ci ca urmare a experimentelor cu spectre de lumină: diferitele frecvenţe ale luminii emise de atomii de hidrogen excitaţi, urmează o secvenţă matematică ce depinde de anumite valori întregi.

Fiecare strat poate susţine mai mulţi electroni. O analogie a acestei aşezări poate fi imaginată dacă luăm în considerare un amfiteatru. Fiecare persoană trebuie să aleagă un rând în care să se aşeze (nu se poate aşeza între rânduri); la fel, fiecare electro trebuie să „aleaga” un anumit strat în care să se „aşeze”. Ca şi în cazul amfiteatrealor, stratul exterior poate susţine mai mulţi electroni decât stratul interior, din apropierea nucleului. De asemenea, electroni tind să se „aşeze” pe cel mai jos strat disponibil, la fel cum într-un amfiteatru, oamenii caută să se aşeze cât mai aproape de scenă (în primul rând). Cu cât numărul stratului (numărul cuantic principal, n) este mai mare, cu atât energia electronilor ce-l ocupă este mai mare.

Numărul maxim de electroni dintr-un strat este descris de ecuaţia 2n², unde este este numărul cuantic principal. Asfel, primul strat (n=1) poate fi ocupat de doar 2 electroni, cel de al doilea strat (n=2) de 8 electroni, al treilea (n=3) de 18 electroni.

Straturile electronice (de la electron) ale unui atom au fost notate cu litere nu cu cifre. Primul strat (n=1) se notează cu litera K, al doilea (n=2) cu L, al treilea (n=3) cu M, al patrulea (n=4) cu M, al cincilea (n=5) cu O, al şaselea (n=6) cu P şi al şaptelea (n=7) cu Q.

Numărul cuantic orbital

Fiecare strat este compus din substraturi. Substraturile sunt regiuni spaţiale ce descriu locul în care pot exista „nori” electronici iar forma lor este diferită de la un substrat la altul. Primul substrat are forma unei sfere, dacă îl privim sub forma unui nori de electroni ce „înveleşte” tridimensional nucleul atomic. Cel de al doilea substrat însă, este compus din doi „lobi” conectaţi împreună într-un singur punct în apropierea centrului atomului. Al treilea substrat este format dintr-un set de patru „lobi” aranjaţi în jurul nucleului.

Numărul orbital este un număr întreg, la fel ca şi numărul principal, doar că înclude şi zero. Aceste numere sunt simbolizate prin intermediul literei l. Numărul substraturilor dintr-un strat este egal cu numărul cuanti orbital. Asfel, primul strat (n=1) are un substrat, numerotat cu 0; al doilea strat (n=2) are două substraturi, 0 şi 1; al treilea strat (n=3) are trei substraturi, 0,1 şi 2. O altă convenţie, foarte des întâlnită, este numerotarea substraturilor prin s (l=0), p (l=1), d (l=2) şi f (l=3)

Numărul cuantic magnetic

Numărul cuantic magnetic al unui electron determină orientarea formei substratului. „Lobii” substraturile pot fi orientăţi în mai multe direcţii. Aceste orientării diferite poartă numele de orbitali. Primul substrat (s; l=0) este o sferă fără posibilitatea de existenţă a unei direcţii, prin urmare, în acest caz, avem doar un orbital. Pentru al doilea substrat (p; l=1) din fiecare strat, „lobii” acestora pot avea trei direcţii diferite.

Simbolul numărului magnetic este m_l. Pentru a calcula numărul de orbitali din fiecare strat, înmulţim numărul substratului şi adăugăm 1 (2*l + 1). De exemplu, priumul substrat (l=0) al oricărui strat, conţine un singur orbital, numerotat cu 0; al doilea substrat (l=1) al oricărui strat conţine trei orbitali, -1, 0, 1; al treilea substrat (l=2) conţine cinci orbitali, numerotaţi cu -2, -1, 0, 1 şi 2; etc.

Numărul cuantic de spin

Proprietatea de „spin” a electronilor a fost descoperită pe cale experimentală. O observaţie mai atentă a liniilor spectrale a reliefat faptul că fiecare linie este de fapt o pereche de linii foarte apropiate una de cealaltă, ipoteza fiind că această structură este rezultatul spin-ului fiecărui electron în jurul propriei sale axe. Atunci când sunt excitaţi, electronii cu spin diferit vor emite energie sub frecvenţe diferite.

Numărul de spin este simbolizat prin m_s. În fiecare orbital, din fiecare substrat al fiecărui strat, pot exista doi electroni, unul cu spin +1/2, iar celălalt cu spin -1/2.

Principiul de excluziune al lui Pauli

Explicarea aşezării electronilor în atom cu ajutorul acestor numere cuantice poartă numele de principiul de excluziune al lui Pauli. Acest principiu spune că, în acelaşi atom, nu pot exista doi electronic care să ocupe exact aceleaşi stări cuantice. Cu alte cuvinte, fiecare electron al unui atom posedă un set unic de numere cuantice. Acest lucru impune o limită numărului de electroni ce pot ocupa orice orbital, substrat sau strat.

Mai jos este este prezentat aranjamentul electronic al atomului de hidrogen:

Cu nucleul format dintr-un singur proton, este suficient un electron pentru ca atomul să atingă achilibrul electrostatic (sarcina electrică pozitivă a protonului este în echilibru cu sarcina electrică negatică a electronului). Acest electron ocupă stratul cel mai de jos (n=1), primul substrat (l=1), în singurul orbital (orientarea spaţială) al acelui substrat (m_l=0), cu un spin de 1/2. O metodă practică şi des întâlnită de descriere a acestui aranjament constă în scrierea electronilor în funcţie de straturile şi substraturile ocupate; această convenţie portă numele de notaţia spectroscopică. Sub această notaţie, numărul stratului este un număr întreg pozitiv, substratul este o literă (s, p, d, f), iar numărul total de electroni dintr-un substrat (toţi orbitalii şi spinii incluşi) este reprezentat printr-un indice superior. Asfel, hidrogenul, având doar un singur electron în stratul inferior, se poate descrie prin notaţia 1s¹.

Trecând la următorul atom (în ordinea numărului atomic), avem elementul heliu:

Nucleul unui atom de heliu are în compoziţia sa doi protoni, iar acest lucru necesită existenţa a doi electroni pentru a echilibra sarcina electrică totală a atomului. Din moment ce ambii electroni, unul cu spin 1/2, celălalt cu spin -1/2, „încap” pe un singur orbital, configuraţia atomului de heliu nu necesită substraturi sau straturi suplimentare pentru cel de al doilea electron.

Totuşi, un atom ce conţine trei sau mai mulţi electron, va necesita substraturi adiţionale pentru toţi acei electroni, din moment ce pe stratul inferior (n=1) încat doar doi electron. Să considerăm următorul atom, cel de litiu.

Un atom de litiu foloseşte doar o fracţiune din capacitatea stratului L (n=2), capacitatea totală a acestuia fiind de opt electroni (capacitatea maximă a stratului = 2n², unde n este numărul stratului). Dacă examinăm aranjamentul electronic al unui atom cu stratul L completat, putem vedea cum toate combinaţiile de substraturi, orbitali şi spini sunt ocupate de electroni. Elementul ce corespunde acestei configuraţii este neonul.

Adesea, atunci când se foloseşte notaţia spectroscopică a unui atom, toate straturile ce sunt ocupate complet sunt ignorate, fiind scrise doar straturile neocupate sau stratul ocupat superior. De exemplu, neonul (prezentat mai sus), ce are două straturi complet ocupate, poate fi descris pur şi simplu prin 2p⁶ în loc de 1s²2s²2p⁶. Litiul, având stratul K complet ocupat, şi doar un singur electron în stratul L, poate fi descris prin notaţia 2s¹ în loc de 1s²2s¹.

„Ignorarea” straturilor inferioare, complet ocupate, nu este doar o convenţie de scriere, ci ilustrează foarte bine un principiu de bază al chimiei: comportamentul chimic al unui element este determinat în primul rând de straturile sale neocupate. Atât hidrogenul cât şi litiul posedă un singur electron în straturile superioare (1s¹ şi 2s¹), iar acest lucru se traduce printr-un comportament similar al celor două elemente. Ambele elemente sunt reactive, şi au o reactivitate similară. Contează mai puţin faptul că litiul posedă un strat complet (K) în plus faţă de hidrogen. Comportamentul său chimic este determinat de stratul său neocupat, L.

Elementele a căror straturi superioare sunt ocupate complet, sunt clasificate ca elemente nobile, fiind aproape non-reactive faţă de celelalte elemente. Aceste elemente au fost clasificate în trecut ca inerte, crezându-se că sunt complet non-reactive, dar acestea pot forma compuşi cu alte elemente în condiţii specifice.

2.2 Valenţa şi structura cristalină

Valenţa

Electronii din stratul exterior, sau stratul de valenţă, sunt cunoscuţi sub numele de electroni de valenţă. Aceşti electroni sunt responsabil de proprietăţile chimice ale elementelor. Aceştia sunt electronii ce participă la reacţiile chimice cu celelalte elemente. Conform unei reguli chimice simplificate, aplicabilă reacţiilor simple, atomii încearcă să-şi completeze toate locurile libere ale stratului exterior cu electroni. Atomii pot ceda câţiva elecroni pentru a „descoperi” un strat complet, sau pot accepta câţiva electroni pentru a completa ultimul strat (stratul exterior). Ambele procese duc la formarea ionilor. Atomii pot chiar să împartă electroni între ei în încercarea de completare a stratului exterior, ducând la formarea legăturilor moleculare, adică, atomii se asociază pentru formarea unei molecule.

De exemplu, elementele din grupa I din tabelul periodic, Li, Na, K, Cu, Ag şi Au au doar un singur electron de valenţă (numărul de electroni de pe ultimul strat). Toate aceste elemente posedă proprietăţi chimice similare. Aceşti atomi cedează un electron pentru a reacţiona cu alte elemente, iar această proprietatea face ca aceste elemente să fie conductoare excelente de electricitate.

Elementele din grupa VIIA, Fl, Cl şi BR, au toate câte 7 electroni în stratul exterior (stratul de valenţă). Aceste elemente acceptă un electron pentru completarea stratului de valenţă la 8 electroni. În cazul în care aceste elemente acceptă un electron, ele formează ioni negativi. Din moment ce nu cedeazăelectroni, aceste elemente sunt foarte buni izolatori electrici.

De exemplu, un atom de Cl acceptă un electron al unui atom de Na devenind ion negativ Cl^-, iar atomul de Na devine ion pozitiv, Na⁺. Un ion este un atom, moleculă sau grupare de atomi care are un exces de sarcină electrică pozitivă sau negativă. Acesta este modul în care Na şi Cl se combină pentru formarea NaCl, sarea de masă, care este defapt o pereche de ioni, Na⁺Cl^-. Fiindcă sarcinile celor doi ioni sunt de semn contrar, cei doi se atrag reciproc.

Structura cristalină a clorurii de sodiu (NaCl) este prezentată în figura de mai jos.

Elementele din grupa a VIIIA, He, Ne, Ar, Kr şi Xe au toate câte 8 electroni pe stratul de valenţă. Acest lucru înseamnă că aceste elemente nici nu donează dar nici nu acceptă electroni, neparticipând la reacţii chimice cu alte elemente. Toate sunt izolatori electrici şi se găsesc sub formă de gaz la temperatura camerei.

Elementele din grupa IVA, C, Si şi Ge au toate câte 4 electroni în stratul de valenţă. Aceste elemente formează compuşi cu alte elemente, dar nu formează ioni. Acest tip de legătură este cunoscută sub numele de legătură covalentă. Se poate observa că atomul din centru are completat stratul de valenţă prin punerea în comun a electronilor atomilor. Figura de mai jos este o reprezentare bi-dimensională a unui aranjament tri-dimensional. Elementele din această grupă prezintă proprietăţile semiconductoare pe care le vom studia în continuare.

Structura cristalină

Majoritatea substanţelor inorganice formează o structură ordonată denumită cristal atunci când se formează legături între atomii sau ionii acestora. Chiar şi metalele sunt compuse din cristale, la nivel microscopic. Practic însă, toate metalele industriale au o strucutră policristalină, în afară de materialele semiconductoare ce sunt monocristaline.

Majoritatea metalelor sunt moi şi uşor deformabile pe cale industrială. În timpul prelucrării, microcristalele sunt deformate, iar electronii de valenţă sunt liberi să se deplaseze prin reţeaua cristalină, şi de la cristal la cristal. Electronii de valenţă nu aparţin unui atom anume, ci tuturor atomilor.

Structura cristalină rigidă a NaCl prezentată mai sus, este compusă dintr-o structură regulată repetitivă formată din ioni pozitivi de Na şi ioni negativ de Cl. Odată ce atomii de Na şi Cl formează ionii de Na⁺ şi Cl^- prin transferul unui electron de la Na la Cl, fără existenţa electronilor liberi, electronii nu sunt liberi să se deplaseze prin reţeaua cristalină, o diferenţa mare faţă de metale. Nici ionii nu sunt liberi. Ionii sunt liberi să se deplaseze doar dacă NaCl este dizolvata în apă, dar în acest caz, cristalul nu mai există. Materialele ionice formează structuri cristaline datorită atracţiei electrostatice puternice dintre ionii încărcaţi cu sarcini opuse.

Materialele semiconductoare din grupa IV (C, Si, Ge), formează de asemenea cristale. Fiecare atom formează o legătură chimică covalentă cu alţi patru atomi. Cristalul format este practic o singură moleculă. Structura cristalină este relativ rigidă şi rezistă deformaţiilor. Există un număr relativ mic de electroni liberi prin cirstal.

2.3 Teoria benzilor de energie

Fizica cuantică descrie starea electronilor dintr-un atom cu ajutorul celor patru numere cuantice. Aceste numere descriu stările permise ale electronilor dintr-un atom. Dacă revenim la analogia amfiteatrului, numerele cuantice descriu numărul rândurilor şi a locurilor existente. Electronii individuali pot fi descrişi printr-o combinaţie de numere cuantice, precum un spectator într-un amfiteatru primeşte un anumit rând şi număr.

La fel ca spectatorii dintr-un amfiteatru, ce se pot deplasa liberi între scaune şi rânduri, şi electronii îşi pot modifica starea dacă există destulă energie şi loc pentru deplasarea acestora. Din moment ce nivelul stratului este strâns legat cu cantitatea de energie a unui electron, „salturile” între straturi (şi chiar substraturi) necesită un transfer de energie. Pentru ca un electron să se poată deplasa într-un strat mai înalt, acesta are nevoie de energie adiţională dintr-o sursă externă. Folosind analogia amfiteatrului, pentru a ajunge într-un rând de scaune superior, este nevoie de o energie din ce în ce mai mare, deoarece persoana trebuie să urce la o înălţime tot mai mare ce necesită învingerea forţei gravitaţionale. De asemenea, dacă un electron coboară pe un strat inferior, acesta cedează energie. Aceste nivele poartă numele de nivele energetice

Nu toate „salturile” sunt însă egale, cele dintre straturi necesită cel mai mare schimb de energie, pe când salturile dintre substraturi sau dintre orbitali necesită un schimb de energie mai mic.

Când atomii se combină pentru formarea substanţelor, straturile, substraturile şi orbitalii exterior se combină între ele, ducând la creşterea energiei disponible pentru electroni. Când un număr foarte mare de atomi sunt foarte aproape unul de celălalt, aceste nivele de energie disponibile formează o bandă de electroni aproape continuă, bandă pe care electroni se pot deplasa cu uşurinţă.

Lăţimea acestor benzi şi distanţa dintre ele determină mobilitatea electronilor în cazul aplicării unui câmp electric asupra lor. În substanţele metalice, benzile libere se suprapun cu benzile ce conţin electroni, ceea ce înseamnă că electronii unui singur atom se pot deplasa la un nivel energetic mai mare necesitând foarte puţină energie externă sau chiar deloc. Asfel, electronii din stratul exterior sunt cunoscuţi sub numele de electroni liberi şi se pot deplasa foarte uşor dacă sunt supuşi unui câmp electric exterior.

Suprapunerea benzilor nu are loc însă în toate substanţele, indiferent de numărul atomilor ce se află în proximitate. În cazul unor substanţe, există o distanţa considerabilă între banda de valenţă (nivelul energetic cel mai mare) şi următoarea bandă goală, denumită banda de conducţie. Prin urmare, electronii de valenţă sunt „legaţi” de atomii lor şi nu pot deveni mobili în cadrul substanţelor fără ajutorul unei energii externe considerabile. Aceste substanţe formează materialele izolatoare (dielectrice).

Însă, materialele din categoria semiconductorilor au o „distanţă energetică” îngustă între benzile de valenţă şi cele de conducţie. Asfel, cantitatea de energie necesară pentru trecerea electronilor de valenţă în banda de conducţie, de undă devin mobil, este destul de modestă.

La temperaturi joase, energia termică disponibilă pentru „împingerea” electronilor de valenţă peste spaţiul dintre banda de valenţă şi cea conducţie este foarte mică, iar materialul semiconductor se comportă precum un izolator. La temperaturi înalte însă, energia termică devine suficient de mare pentru a forţa electronii peste „distanţa energetică”, iar materialul se va comporta precum un material conductor.

2.4 Electroni şi goluri

Materialele semiconductoare pure sunt izolatori relativ buni, în comparaţie cu metalele, dar nu sunt la fel de bune precum sticla, de exemplu. Pentru a putea fi folosit în aplicaţii cu semiconductori, materialul semiconductor pur, nedopat, nu trebuie să conţină mai mult de o impuritatea la 10 miliarde de atomi semiconductori. Acest lucru este analog unei impurităţi sub formă de „un fir de praf într-un sac de zahăr”. Materialele semiconductoare impure sunt conductoare mult mai bune, dar nu la fel de bune precum metalele. De ce se întâmplă acest lucru? Pentru a putea răspunde acestei întrebări, trebuie să ne uităm la structura electronică a acestor materiale.

În figura de sus (a), cei patru electroni din stratul de valenţă a unui material semiconductor formează legături covalente cu alţi patru atomi. Toţi electronii unui atom sunt formează legături covalente. Electronii nu se pot deplasa liber în structura cristalului. Prin urmare, semiconductorii puri (intrinseci) sunt izolatori relativ buni în coparaţie cu metalele. Energia termină poate elibera ocazional un electron din structura cristalină a semiconductorului. Acest electron se poate deplasa liber prin structura cristalului (electron liber). Când acest electron a fost eliberat cu ajutorul unei energii exterioare, a lăsat în urma lui un loc liber cu sarcină pozitivă în structura cristalului, sarcină cunoscută sub numele de gol. Acest gol nu este nici el fix, ci se poate deplasa liber. Atât electronul, cât şi golul contribuie la conducţia electrică a cristalului. Electronul este liber până în moment în care „cade” într-un gol, proces cunoscut sub numele de recombinaţie. Dacă se aplică un câmp electric extern asupra semiconductorului, electronii şi golurile se vor deplasa în direcţii opuse. Creşterea temperaturii duce le creşterea numărului de electroni şi goluri şi la descreşterea rezistenţei. Acest lucru este exact opus comportamentului metalelor, unei rezistenţa creşte cu creşterea temperaturii datorită creşterii coliziunilor dintre electroni şi structura cristalină. Numărul de electroni şi goluri într-un semiconductor intrinsec este egal. Totuşi, viteza de deplasare ai celor doi purtători de sarcină (electroni şi goluri) nu este egală la aplicarea unui câmp electric extern. Cu alte cuvinte, mobilitatea celor doi purtători de sarcină nu este aceeiaşi.

Materialele semiconductoare pure nu sunt foarte folositoare. Acestea trebuie să prezintă un nivel înalt de puritate înainte de adăugarea impurităţilor specifice.

Materialele semiconductoare pure (1 parte la 10 miliarde), pot fi „murdărite” cu aproximativ 1 parte la 10 milioane pentru creşterea numărului de purtători de sarcină. Adăugarea unei impurităţi precise unui material semiconductor este cunoscută sub numele de dopare. Doparea creşte conductivitatea semiconductorului, pentru ca acesta să se comporta mai mult ca un metal decât ca un izolator.

Impuritatea donoare de tip N

Creşterea numărului sarcinilor electrice negative din structura cristalină a unui material semiconductor se poate realiza prin doparea cu electroni a unui material donor precum fosforul. Materialele donatoare de electroni, cunoscute şi sub numele de „materiale de /tip N/”, includ elemente din grupa VA a tabelului periodic: N (azot), P (fosfor), As (arsenic) şi Sb (stibiu sau antimoniu). Azotul şi fosforul sunt folosite ca dopanţi de tipul N pentru diamant, iar fosforul, arsenicul şi stibiul sunt folosite pentru siliciu.

Structura cristalină din figura de mai jos conţine atomi având câte patru electroni în stratul de valenţă, formând câte patru legături covalente cu atomii adiacenţi. Aceasta este structura anticipată a materialului semiconductor. Adăugarea unui atom de fosfor cu cinci electroni în stratul de valenţa întroduce un electron suplimentar în structura materialului, în comparaţie cu atomul de siliciu (figura de mai jos (b)). Impuritatea petavalentă formează patru legături covalente cu patru atomi de siliciu cu ajutorul a patru electroni din cei cinci disponibili. Structura asfel formată va dispune de un electron liber, rămas de la atomul de fosfor, ce nu are o legătură foarte strânsă cu cristalul la fel cu au ceilalţi electroni de siliciu, fiind liber să se deplaseze în cristal. Din moment de am dopat semiconductorul cu un atom de fosfor la fiecare 10 milioane de atomi de siliciu, există relativ puţini electroni liberi creaţi prin dopaj, dacă face o comparaţie cu numărul de atomi de siliciu prezenţi în structură. Totuşi, dacă facem o comparaţie între numărul de electroni liberi ai materialului dopat cu materialul pur, numărul de electroni liberi este relativ mare. Aplicarea unui câmp electric extern produce o conducţie electrică puternică a materialului semiconductor dopat în banda de conducţie. Un nivel de dopaj mai ridicat, produce o conducţie şi mai puternică. Asfel, un material conductor cu o conductivitate scăzută, a fost „transformat” într-un material conductor destul de bun.

Impuritatea acceptoare de tip P

De asemenea, este posibilă introducerea unei purităţi cu trei electroni în stratul de valenţă, adică un electron în minus faţă siliciu. Acest lucru duce la formarea unui gol, un purtător de sarcină pozitivă. Atomul de bor (B), ce are trei electroni pe stratul de valentă, încearcă să realizeze patru legături covalente cu atomii de siliciu, iar pe parcursul acestui proces, cei trei electroni se vor deplasa încercând să formeze aceste legături (figura de mai sus (c)). Acesta lucru duce la impresia că golul se deplasează. Mai mult, atomul trivalent de bor poate împrumuta un electron de la un atom de siliciu adiacent (sau distant) pentru formarea celor patru legături covalente. Dar acest lucru înseamnă ca atomul de siliciu are un deficit de un electron. Cu alte cuvinte, golul s-a „deplasat” pe un atom de siliciu vecin. Golurile se regăsesc în banda de valenţă, cu un nivel mai jos decât banda de conducţie. Doparea cu un acceptor - un atom ce poate accepta un electron - crează o deficienţă de electroni în structura materialului, sau un exces de goluri (cele două exprimări sunt echivalente). Din moment ce golurile sunt purtători de sarcină pozitivă, un dopant acceptor de electroni poartă numele de „dopant de tip P. Elementele dopante de tip P includ elementele din grupa IIIA a tebelului periodic: B (bor), Al (aluminiu), Ga (galiu) şi In (indiu). Borul este folosit pe post de dopant pentru siliciu şi diamant, iar indiul pentru germaniu.

Deplasarea electronilor şi a golurilor

Există o strânsă legătură, în analogia „mărgelelor dintr-un tub”, între deplasarea golurilor şi deplasarea electronilor. Mărgelele reprezintă electronii dintr-un conductor. Deplasarea electronilor de la stânga la dreapta într-un semiconductor de tip N se poate explica asfel: electronul intră în tub prin partea stângă şi iese prin partea dreaptă. Deplasarea electronilor de tip N are loc în banda de conducţie. Putem compara această deplasare cu deplasarea golurilor în banda de valenţă.

Ceea ce trebuie înţeles este că electroni se deplasează în direcţia contrare de deplasare a golurilor. Golurile nu sunt altceva decât absenţa electronilor din banda de valenţă, având prin urmare o sarcină pozitivă, sarcină datorată prezenţei protonilor din nucleu, şi de fapt aceasta este sarcina „imaginară” pe care o reprezentăm cu ajutorul golurilor.

Deplasarea electronilor (curent) într-un semiconductor de tip N este similară deplasării electronilor dintr-un conductor metalic. Atomii materialului dopant de tip N furnizează electroni pentru conducţie. Aceşti electroni poartă numele de purtători de sarcină majoritari. Dacă aplicăm un câmp electric între două puncte ale unui material semiconductor, electronii intră prin partea negativă (-) a materialului, traversează structura acestuia şi ies prin partea dreaptă (+), terminalul pozitiv al bateriei.

2.5 Joncţiunea P-N

Dacă un bloc de material semiconductor de tip P este adus în contact cu un bloc de material semiconductor de tip N (figura de mai jos (a)), rezultatul este nesatisfăcător. Vom avea două blocuri conductoare aflate în contact unul cu celălalt, dar fără proprietăţi unice. Problema constă în existenţă a două corpuri cristaline distincte şi separate. Numărul de electroni este echilibrate de numărul de electroni în ambele blocuri. Asfel, niciunl dintre cele două blocuri nu are o sarcină netă.

Totuşi daca un singur cristal semiconductor este confecţionat (dopat) cu un material de tip P la un capăt, şi un material de tip N la celălalt capăt, combinaţia respectivă prezintă unele proprietăţi unice. În materialul de tip P, majoritatea purtătorilor de sarcină sunt goluri, aceştia putându-se deplasa liberi prin structura cristalului. În materialul de tip N majoritatea purtătorilor de sarcină sunt electroni, şi aceştia putându-se deplasa liberi prin structura cristalului. În jurul joncţiunii însă (intersecţia dintre cele două tipuri de materiale), electronii materialului N trec peste joncţione şi se combină cu golurile din materialul P (figura de jos, (b)). Regiunea materialului P din apropierea joncţiunii capătă o sarcină nagativă datorită electronilor atraşi, iar Regiunea materialului N din apropierea joncţiunii capătă o sarcină pozitivă datorită electronilor cedaţi. Stratul subţire a acestei structuri cristaline, dintre cele două sarcini de semne contrare, va fi „golit” de majoritatea purtătorilor de sarcină, prin urmare, acesta este cunoscută sub numele de zona de golire, şi devine un material semiconductor pur, non-conductor. De fapt, aproape că avem un material izolator ce separă cele două regiuni conductive P şi N.

Această separare de sarcini în jurul joncţiunii P-N (zona de golire) constituie în fapt o barieră de potenţial. Această barieră de potenţial trebuie să fie „învinsă” de o sursă de tensiune externă pentru a se putea comporta precum un material conductor. Formarea joncţiunii şi a barierei de potenţial are loc în timpul procesului de fabricaţie. „Înălţimea” barierei de potenţial depinde de materialele folosite pentru fabricarea acestuia. Joncţiunile PN din siliciu au o barieră de potenţial mai ridicată decât joncţiunile fabricate din germaniu.

Polarizarea directă a joncţiunii PN

În figura de mai jos (a), bateria este poziţionată asfel încât electronii să se deplaseze dinspre terminalul negativ înspre materialul de tip N. Aceşti electroni se adună în jurul joncţiunii. Terminalul pozitiv înlătură electronii din materialul semiconductor de tip P, ceea ce duce la crearea golurilor ce se îndreaptă şi ele spre joncţiune. Dacă tensiunea bateriei este suficient de mare pentru a depăşi potenţialul joncţiunii (0.6 V în cazul siliciului), electronii materialului N şi golurile materialului P se combină şi se anihilează reciproc. Acest lucru duce la crearea unui spaţiu liber în structura materialului ce poate susţine o deplasare şi mai mare de purtători de sarcină spre joncţiune. Asfel, curenţii purtătorilor de sarcină majoritari de tip N (electroni) şi de tip P (goluri) se deplasează înspre joncţiune. Recombinaţia ce are loc la joncţiune permite curentului bateriei să se „deplaseze” prin joncţiunea PN a unei asfel de diode. În acest caz, spunem că o asfel de joncţiune este polarizată direct.

Polarizarea inversă a joncţiunii PN

Dacă polaritatea bateriei este inversată (figura de sus (b)), majoritatea purtătorilor de sarcină vor fi atraşi dinspre joncţiune spre terminalii bateriei. Terminalul pozitiv al bateriei atrage purtătorii de sarcină majoritari (electronii) ai materialului N, iar terminalu negativ al bateriei atrage purtătorii de sarcină majoritari (golurile) ai materialului P. Acest fapt duce la creşterea grosimii zonei de golire non-conductive. Nu are loc nicio recombinare a purtătorilor de sarcină, prin urmare, nu are loc nicio conducţie. În acest caz, spunem că joncţiunea PN este polarizată invers.

Ceea ce am creat mai sus prin doparea aceluiaşi cristal atât cu material de tip N cât şi cu material de tip P, este o diodă.

2.6 Dioda

După cum am precizat şi în secţiunea precedentă, dioda este realizată prin introducerea de impurităţi de tip N şi P în acelaşi cristal semiconductor. Simbolul schematic al diodei este prezentat în figura de mai jos (b), şi corespune semiconductorului dopat de la (a). Dioda este un dispozitiv unidirecţional (vezi joncţiunea PN). Deplasarea electronilor se poate realiza doar într-o singură direcţie, învers faţă de direcţia săgeţii, atunci când dioda (joncţiunea PN) este polarizată direct. Catodul, din reprezentarea diodei, reprezintă semiconductorului de tip N, iar anodul corespune materialului dopat de tip P.

Dacă dioda este polarizată direct, curentul creşte foarte puţin pe măsură ce tensiune creşte de la 0 V. În cazul în care materialul semiconductor din care este confecţionată dioda este siliciu, curentul începe să crească doar după ce tensiunea atinge valoarea de 0.6 V (figura de mai sus (c)). Dacă tensiunea creşte peste valoarea de 0.6 V, valoarea curentului creşte foarte repede. O tensiune peste 0.7 V poate foarte uşor să ducă la distrugerea diodei. Această tensiune de „deschidere” a diodei în jurul valorii de 0.6 V, poartă numele de tensiune de polarizare directă a diodei. Sub această valoare, dioda este „inchisă”, şi nu există curent pe la bornele acesteia. Deşi pentru siliciu tensiunea de polarizare directă este de 0.6-0.7 V, pentru germaniu aceasta este de 0. V, iar pentru LED-uri de câţiva volţi. Curentul ce străbate dioda la polarizarea directă poartă numele de curent direct, iar acesta poate lua valori curpinse între câţiva mA, până la sute sau mii de amperi pentru diodele de putere.

Dacă dioda este polarizată invers, curentul invers va avea o valoarea foarte mică, care în condiţiile cele mai extreme poate ajunge la un maxim de 1 µA (figura de mai sus (c), stânga). Valoarea acestui curent nu creşte semnificativ odată cu creşterea tensiunii de polarizare inversă, decât la atingerea punctului de străpungere. Când punctul de străpungere este atins, curentul prin diodă creşte la o valoare atât de mare, încât poate duce la distrugerea diodei dacă nu există un rezistor serie pentru limitarea curentului prin diodă. De obicei se alege o diodă a cărei tensiune de străpungere este mai mare decât valoarea tensiunilor aplicate la bornele sale. Diodele din siliciu au de obicei tensiuni de străpungere de la 50, 100, 200, 400, 800 V sau chiar mai mare.

Am menţionat mai sus că există un curent de dispersie de sub un µA, pentru diodele de siliciu, la polarizarea inversă. Explicaţia constă în faptul că energia termică produce câteva perechi de electroni-găuri, ce duc la apariţia unui curent de dispersie până la recombinaţie. Practic, acest curent previzibil este doar o parte a curentului de dispersie total. O mare parte a acestui curent se datorează conducţiei de suprafaţă datorită impurităţilor de la suprafaţa conductorului. Ambele tipuri de curenţi de dispersie cresc odată cu creşterea temperaturii. În cazul germaniului, curentul de dispersie este de câteva ori mai mare decât în cazul siliciului.

Dioda cu joncţiune

Deşi la început, cea mai folosită diodă a fost diodă cu contact punctiform (figura de mai jos, (a)), majoritatea diodelor folosite astăzi sunt diode cu joncţiune (figura de mai jos (b)). Deşi joncţiunea PN din figură este puţin mai complexă decât o joncţiune normală, aceasta este tot o joncţiune PN. Pornind de la catod, N⁺ indică faptul că această regiune este dopată puternic, şi nu are legătură cu polaritatea. Acest lucru reduce rezistenţa serie a diodei. Regiunea N^- din nou, nu are nicio legătură cu polaritatea, ci indică faptul că această regiune este mai puţin dopată, ceea ce duce la o diodă a cărei tensiune de străpungere inversă este mult mai mare, lucru important pentru diodele de putere folosite în rederesare.

Diodele de puteri mai mici, chiar şi redresoarele de putere de tensiuni mai mic, vor avea pierderi de polarizare directă mult mai mici datorită dopajului mai puternic. Cel mai mare nivel de dopaj este folosit pentru diodele Zener, proiectate pentru tensiune de străpungeri mici. Totuşi, un dopaj puternic duce la creşterea curentului invers de disperise. Regiunea P⁺ de la anod, reprezintă un material semiconductor, puternic dopat, de tip P, o foarte bună strategie pentru realizarea contactului. Diodele de joncţine mici, încapsulate în sticlă, pot conduce curenţi de ordinul zecilor sau sutelor de mA. Diodele de putere redresoare, încapsulate în plastic sau ceramică, pot conduce curenţi de ordinul miilor de amperi.

2.7 Tranzistorul bipolar cu joncţiune (BJT)

Primul tranzistor bipolar a fost inventat la „Bell Labs” de către William Shockley, Walter Brattain, şi John Bardeen în 1948 (de fapt, 1947, dar invenţia a fost publicată doar în 1948). Pentru această descoperire, cei trei au fost recompensaţi cu premiul Nobel pentru fizică în anul 1956.

Tranzistorul bipolar cu joncţiune este un semiconductor format din trei straturi, două de tip N şi unul de tip P (NPN). Contactele celor trei straturi poartă numele de emitor şi colector pentru semiconductorii de tip N, şi bază pentru semiconductorul de tip P. Configuraţia este asemănătoare unei diode, doar că mai există un strat N în plus. Stratul din mijloc însă, baza, trebuie să fie cât mai subţire cu putinţă, fără a afecta suprafeţele celorlalte două straturi, emitorul şi colectorul.

Dispozitivul din figura de jos (a) este format din două joncţiuni, una între emitor şi bază, iar cealaltă între bază şi colector, aceste joncţiuni formând două zone de golire:

În mod normal, joncţiunea bază-colector a tranzistorului este polarizată învers (figura de sus (b)). Acest lucru duce la creşterea regiunii de golire. Această tensiune poate fii de câţiva volţi până la zeci de volţi pentru majoritatea tranzistorilor. În acest caz, nu există curent în circuitul colectorul, exceptând curentul de dispersie de o valoarea foarte mică.

Putem adăuga o sursă de tensiune şi în circuitul emitor-bază al tranzistorului (figura de mai jos (a)). În mod normal, joncţiunea emitor-bază este polarizată direct, în încercarea de depăşire a barierei de potenţial de aproximativ 0.6 V. Acest lucru este similar polarizării directe a joncţiunii diodei. Tensiune acestei surse trebuie să depăşească valoarea de 0.6 V pentru ca majoritatea purtătorilor de sarcină (electroni pentru NPN) să treacă din emitor spre bază, devenind purtători de sarcină minoritari în semiconductorul de tip P.

Dacă regiunea bazei ar fi mult mai mare, ca în cazul poziţionării spate-în-spate a două diode, tot curentul ce intră în bază prin emitor, ar ieşi prin contactul bazei spre borna pozitivă a bateriei.

Totuşi, tranzistoarele sunt confecţionate cu o bază foarte subţire. O mică partă a purtătorilor de sarcină majoritari din emitor, injectăţi ca şi purtători de sarcină minoritari în bază, se recombină cu golurile acesteia(figura de jos (b)). De asemenea, o mică parte a electronilor ce intră în bază pe la emitor trec direct prin bază spre borna pozitivă a bateriei. Dar majoritatea curentului din emitor trec prin suprafaţă subţire a bazei direct în colector. Mai mult, modificarea curentului mic al bazei duce la modificări importante ale curentului din colector. Dacă tensiunea bazei scade sub aproximativ 0.6 V, curentul emitor-colector scade la zero.

Să privim însă mai în deaproape la acest mecanism de amplificare al curentului (figura de jos). Considerăm o joncţiune NPN mărită, cu accentul pus pe bază. Chiar dacă nu sunt prezentate în figură, presupunem că joncţiunea emitor-bază este polarizată direct de o sursă de tensiune, iar joncţiunea bază-colector este polarizată invers. Electronii, purtătorii de sarcină majoritari, intră în emitor de la borna negativă a bateriei. Deplasarea electronilor dinspre bază corespunde cu deplasarea acestor dinspre bază spre borna pozitivă a bateriei. Acesta este un curent foarte mic faţă de curentul din emitor.

Majoritatea purtătorilor de sarcină în emitorul de tip N sunt electronii, ce devin purtători de sarcină minoritară la intrarea în baza de tip P. Aceşti electroni au patru posibilităţi după ce intră în baza de tip P. O mică parte „cad” în goluri (figura de sus (a)), lucru ce contribuie la curentul înspre terminalul pozitiv al bateriei. Deşi nu este reprezentată pe figură, golurile pot trece din bază spre emitor, unde se recombină cu electronii, contribuind şi aceştia la curentul bazei. O altă mică parte din electroni (b) trec direct prin bază înspre terminalul pozitiv al bateriei, ca şi cum baza ar fi un rezistor. Atât (a) cât şi (b) contribuie curentului foarte mic al bazei. Curentul bazei este aproximativ 1% din curentul emitor-colector, pentru tranzistoarele mici. Majoritatea electronilor din emitor însă (c), trec direct prin zona îngustă de golire, înspre colector. Putem observa polaritatea zonei de golire ce înconjoară electronul (d). Câmpul electric intens „trage” electronul rapid în colector. Puterea câmpului electric este direct proporţională cu tensiunea de alimentare a bateriei. Asfel, 99% din curentul emitorului trece în colector. Această „trecere” este însă controlată de curentul bazei, ce reprezintă aproximativ 1% din curentul emitorului. Acest lucru reprezintă o amplificare de curent de 99, reprezentat de raportul dintre curentul colectorului şi curentul bazei (I_C/I_B), cunoscut şi ca β.

Difuzia electronilor emitorului prin bază şi înspre colector, este posibilă doar dacă baza este foarte subţire. Ce s-ar întâmpla cu aceşti purtători de sarcină dacă baza ar fi de 100 de ori mai groasă. Este foarte posibil ca majoritatea dintre ei, 99% in loc de 1%, să cadă în goluri, nemaiajungand la colector. Prin urmare, curentul de bază poate constrola 99% din curentul emitorului, doar dacă 99% din curentul emitorului trece înspre colector. Dacă întreg curentul iese pe la bază, controlul nu este posibil.

Un alt motiv pentru care 99% dintre electronii trec din emitor, peste bariera de potenţial şi în colector, este că joncţiunile bipolare reale folosesc un emitor mic dopat puternic. Concentraţia mare a electronilor din emitor forţează trecerea acestora în bază. Concentraţia mică a dopajului din bază înseamnă că există mult mai puţine goluri ce trec în emitor (lucru ce doar ar creşte curentul bazei). Difuzia purtătorilor de sarcină dintre emitor spre bază, este puternic favorizată.

Faptul că baza este subţire iar emitorul puternic dopat, ţin foarte sus eficienţa emitorului, 99% de exemplu. Acest lucru corespunde ramificaţiei curentului emitorului de 100% în 1% bază şi 99% colector. Eficienţă emitorului este cunoscută ca şi α = I_C/I_E.

Joncţiunea PNP

Tranzistoarele bipolare pot fi confencţionate şi sub forma PNP. Diferenţa dintre PNP şi NPN poate fi văzută în figura de mai jos:

Diferenţa constă în polaritea joncţiunilor bază-emitor, polaritatea semnalată cu ajutorul săgeţii emitorului în simbolul tranzistorului. Direcţia săgeţii este asemenea direcţiei anodului joncţiunii unei diode, împotriva sensului real de deplasare al electronilor. Pentru tranzistorii NPN, direcţia săgeţii este dinspre bază spre emitor, iar în cazul tranzistorilor PNP, direcţia este dinspre emitor spre bază. Colectorul nu este reprezentat în niciunul dintre cazuri cu ajutorul vreunei săgeţi. Totuşi, polaritatea joncţiunii bază-colector este aceeiaşi cu polaritatea joncţiunii bază-emitor în comparaţie cu o diodă.

Structura

Emitorul tranzistorului bipolar cu joncţiune de mai jos este puternic dopat, după cum indică şi notaţia N⁺. Baza are un nivel de dopaj P normal, dar aceasta este mult mai subţire în realitate decât este prezentat în această figură (a).

Procentul de dopaj al colectorului este scăzut, după cum indică notaţia N^-, pentru ca tensiunea de străpungere a joncţiunii colector-bază să fie cât mai mare, ceea ce înseamnă că sursa de tensiune poate alimenta tranzistorul la tensiuni mai mari. Tranzistoarele de siliciu mici, au o tensiune de străpungere de 60-80 V, dar poate ajunge la sute de volţi pentru tranzistoarele de tensiune înaltă. Dar, colectorul trebuie să fie în acelaşi timp dopat puternic pentru minimizarea pierderilor ohmice (datorită rezistenţelor), în cazul în care tranzistorul trebuie să conducă curenţi mari. Îndeplinirea acestor cerinţeo contradictorii se realizează prin doparea mai puternică a colectorului spre partea de contact metalic, şi doparea mai uşoară a colectorului în apropierea bazei în comparaţie cu emitorul. Tensiunea de străpungere a joncţiunii emitor-bază scade până la aproximativ 7 V datorită dopării puternice a emitorului, în tranzistorii mici. Şi tot datorită acestei dopări puternice, joncţiunea emitor-bază se comportă precum o diodă Zener polarizată invers.

Fabricarea mai multor tranzistoare pe acelaşi cip dă naştere unui circuit integrat, o reprezentare aproximativă a acestuia este dată în figura de mai sus (c).

Calitatea tranzistorilor discreţi de tip PNP este aproape la fel de bună precum cea a tranzistorilor NPN. Totuşi, tranzistorii PNP integraţi nu sunt la fel de buni precum cei de tipul NPN, prin urmare, circuitele integrate folosesc tranzistori de tipul NPN în marea lor majoritate.

2.8 Tranzistorul cu efect de câmp (JFET)

Tranzistorul cu efect de câmp a fost propus de Julius Liliendfel în 1926 şi 1933 sub formă de patent. Shockley, Brattain şi Bardeen au investigat şi e tranzistorul cu efect de câpm în 1947, dar dificultăţile întâmpinate în realizarea acestuia i-au dus în schimb la dezvoltarea tranzistorului bipolar. Teoria tranzistorului cu efect de câmp a lui Shockley a fost publicată în 1952, dar tehnologia de procesare a materialelor nu era sufificent de bine dezvoltată, asfel că doar în anul 1960 s-a reuşit fabricarea unui dispozitiv funcţional de către John Atalla.

Un tranzistor cu efect de câmp (FET - field effect transistor), este un dispozitiv unipolar, ceea ce înseamnă că existenţa curentului depinde de un singur tip de purtători de sarcină. Dacă dispozitivul se bazează pe un material semiconductor de tip N, purtătorii de sarcină sunt electroni. Invers, pentru unul de tip P, purtătorii de sarcină sunt golurile.

La nivelul circuitului, funcţionarea tranzistorilor cu efect de câmp este simplă. O tensiune aplicată pe poartă, elementul de intrare, controlează rezistenţa unei regiuni unipolare dintre sursă şi drenă denumită canal; într-un dispozitiv de tip N, această regiune este reprezentată de un material semiconductor dopat de tip N^-, cu terminale la ambele capete. Sursa şi drena sunt terminale echivalente cu emitorul şi colectorul într-un tranzistor bilpolar. Cu alte cuvinte, sursa este locul de plecare al purtătorilor de sarcină, iar drena este locul înspre care aceştia se deplasează. Poarta este echivalentă bazei tranzistorului bipolar, iar în cadrul unui dispozitiv de tip N, este reprezentată de o regiune de tip P⁺ (dopată puternic) prezentă pe ambele laturi şi în jurul canalului din centrul semicondcutorului.

Curăţenia este absolut necesară în cazul producerii tranzistorilor cu efect de câmp. Deşi este posibilă producerea tranzistorilor bipolari în afara unui spaţiu perfect curat, nu acelaşi lucru se poate spune şi despre cei cu efect de câmp. Tranzistorul cu efect de câmp este mult mai simplu din punct de vedere conceptual decât cel bipolar, dar este foarte greu de produs.

În figura de mai sus, este prezentat un tranzistor cu efect de câmp cu joncţiune (JFET). Poarta constituie o joncţiune, şi este polarizată invers pentru funcţionarea corectă a dispozitivului. Curentul dintre sursă şi drenă poate exista în ambele direcţii.

În figura de mai jos este reprezentată zona de golire a joncţiunii porţii, datorită difuziei golurilor din regiunea de tip P (poartă) în regiunea de tip N (canal). Această difuzie duce la separarea purtătorilor de sarcină în zona joncţiunii şi o zonă de golire non-conductivă la joncţiune.

Grosimea zonei de golire poate fi crescută prin aplicarea unei tensiuni moderate de polarizare inversă (figura de mai sus(b)). Acest lucru duce la creşterea rezistenţei canalului sursă-drenă prin îngustarea acestuia. Creşterea în continuare a tensiunii de polarizare inversă duce la creşterea zonei de golire, scăderea grosimii canalului şi creşterea rezistenţei acestuia (c). Peste un anumit nivel (d), tensiunea de polarizare inversă, V_GS va bloca curentul prin canal, rezistenţa acestuia fiind foarte mare. Tensiunea de blocare, V_P este de câţiva volţi în majoritatea cazurilor. Pe scurt, rezistenţa canalului sursă-drenă poate fi controlat cu ajutorul valorii de polarizarea inversă a porţii.

Sursa şi drena sunt interschimbabile, ceea ce înseamnă că există posibilitatea deplasării electronilor în oricare dintre direcţii pentru o tensiune mică a bateriei drenei (0.6 V). Cu alte cuvinte, bateria drenei poate fi înlocuită cu o sursă de tensiune scăzută în curent alternativ. Pentru valori mai mari a tensiunii drenei, de ordinul zecilor de volţi pentru dispozitive mici, polaritatea alimentării este cea prezentată în figura de mai jos (a). Atenţie, în unele cărţi de specialitate, poarta (P) mai este denumită şi grilă (G), sau cele două notaţii sunt folosite chiar concomitent. Am ales în această carte să rămânem la denumirea de poartă, iar aceasta este notată corespunzător pe desene cu P. În orice caz, cele două exprimări sunt echivalente.

Această sursă de tensiune a drenei, ce nu este prezentă în figurile precedente, distorsionează zona de golre, mărind-o înspre partea drenei. Aceasta este o reprezentare mult mai corectă o tensiunilor de curent continuu ale drenei, de la câţiva volţi la zeci de volţi. Pe măsură ce tensiunea drenă-sursă (U_DS) creşte, zona de golire dinspre drenă creşte spre această. Acest lucru duce şi la creşterea lungimii canalului, cu efecte asupra rezistenţei (creşte) acestuia. Totuşi, această creştere a rezistenţei datorată creşterii lungimii canalului este foarte mică în comparaţie cu rezistenţa datorată polarizării inverse a porţii. În figura de mai sus (b) este prezentat şi simbolul schematic al unui tranzistor cu efect de câmp cu canal de tip N. Săgeata porţii indică aceeiaşi direcţia ca şi joncţiunea diodei, şi corespunde regiunii de tip P. Celelalte două extremităţi (S şi D), ce nu conţin nicio direcţie, corespund materialului semiconductor de tip N.

În figura de mai sus este reprezentată şi direcţia curentului de la terminalul (-) a bateriei spre sursă (S), apoi spre drenă (D) şi înspre terminalul (+) al bateriei. Acest curent poate fi controlat prin variaţia tensiunii de polarizare înversă a porţii (P). O sarcină conectată în serie cu bateria „vede” o versiune amplificată a variaţiei tensiunii de pe poartă.

Tranzistorul cu efect de câmp cu canal de tip P

Tranzistoarele cu efect de câmp pot fi realizate şi cu canal de tip P, ceea ce înseamnă ca poarta este realizată dintr-un material semiconductor dopat de tip N⁺ (dopat puternic). Toate sursele de tensiune sunt inversate într-un circuit cu JFET de tip P faţa de cel cu canal de tip N (figura de mai jos (a)). Săgeata în acest caz este îndreptată dinspre poartă înspre sursa de polarizare inversă (figura de mai jos (b)).

Modul de funcţionare este asemănător tranzistorului cu efect de câmp cu canal de tip N prezentat mai sus.

Modul de confecţionare

Dispozitivele discrete sunt confecţionate conform figurii de mai jos (a), iar circuitele integrate cu tranzistoare cu efect de câmp, sunt confecţionate conform figurii de mai jos (b). Poarta este dopată puternic, P⁺, pentru obţinerea unei zone de golire cât mai mari. Sursa şi drena acestui dispozitiv de tip N sunt şi ele dopate puternic, N⁺, pentru obţinerea unei rezistenţe de conexiune cât mai mici. Totuşi, canalului din jurul porţii este dopat uşor, N^-, pentru a permiter trecerea golurilor dinspre poartă înspre canal.

2.9 Tranzistorul cu efect de câmp cu poartă izolată (MOSFET)

Tranzistorul cu efect de câmp cu poartă izolată (IGFET), cunoscut şi sub numele de „tranzistor cu efect de câmp cu metal oxid” (MOSFET), este un dispozitiv derivat al tranzistorului cu efect de câmp (FET). În prezent, majoritatea tranzistorilor folosiţi în circuitele integrate sunt de acest tip, cu toate că tranzistorii bipolari cu joncţiune (BJT) discreţi sunt mult mai numeroşi decât dispozitivele discrete de tip MOSFET. Numărul de tranzistori MOSFET dintr-un circuit integrat poate ajunge la cateva sute de milioane. Dimensiunea unui MOSFET individual este sub un micron.

Sursa, poarta şi drena sunt asemănătoare cu cele de la FET-uri. Totuşi, contactul porţii nu realizează o conexiune directă cu materialul semiconductor, cum era cazul FET-urilor. Poarta unui MOSFET reprezintă un strat metalic sau de polisiliciu aşezat peste un strat de dioxid de siliciu (SiO₂) izolator. Poarta seamănă foarte mult cu un condensator de tip MOS (figura de mai jos).

La polarizare, polaritatea armăturilor condensatorului va deveni cea a terminalilor bateriei. Armătura inferioară, de tip P formează un canal inversat datorită excesului de electroni din apropierea oxidului format prin respingerea electronilor terminalului negativ al bateriei înspre oxid şi atragerea acestora spre armătura pozitivă. Acest canal duce şi la formare unei zone de golire ce izolează canalul de restul substratului de siliciu.

În figura de mai jos, un condenstor de tip MOS este plasat între o pereche de material semiconductor de tip N aflată într-un substrat de tip P. Când nu există sarcină pe condensator (a), poarta nu este polarizată, iar sursa, drena şi cele două regiuni de tip N rămân izolate din punct de vedere electric.

Aplicarea unei polarizări directe duce la încărcarea condensatorului (porţii) (figura de mai sus (b)). Poarta de deasupra stratului de oxid se încarcă pozitiv de la baterie. Substratul de tip P de sub poartă se încarcă negativ. Sub poarta oxidului se va forma o regiune inversată cu un exces de electroni. Această regiune conectează sursa şi drena de tip N, formând o regiune continuă de tip N între cele două. Asfel, MOSFET-ul, ca şi FET-ul, este un dispozitiv unipolar. Doar un singur tip de purtător de sarcină este responsabil pentru conducţie. Exemplul de mai sus este un MOSFET cu canat de tip N. Conducţia unui curent mare este posibilă prin aplicarea unei tensiuni între sursă şi drenă. Un circuit practic ar avea conectată o sarcină în serie cu bateria drenei.

MOSFET-ul, ca şi FET-ul, este un dispozitiv controlat în tensiune. O tensiune aplicată porţii controlează curentul dinspre sursă spre drenă. Poarta nu necesită un curent permanent, ci are nevoie doar de un curent iniţial pentru încărcarea condensatorului porţii.

Modul de confecţionare

Secţiunea transversală a unui MOSFET de tip N este prezentată în figura de mai jos (a). Sursa şi drena sunt dopate puternic, N⁺, pentru reducerea pierderilor rezistive datorită curenţilor dinspre sursă spre drenă. N^- indică o regiune cu dopaj scăzut. Regiunea P de sub poartă, aflată între sursă şi drenă, poate fi inversată prin aplicarea unei tensiuni de polarizare directă. Simbolul MOSFET-ului este reprezentat în figura de mai jos (b).

MOSFET-urile sunt dispozitive cu patru terminale: sursă, poartă, drenă şi substrat. Substratul este conectat la sursă în cazul MOSFET-urilor discrete, asfel încât dispozitivul final are doar trei terminale. MOSFET-urile realizate într-un circuit integrat au un substrat comun tuturor dispozitivelor. Această conexiune comună se regăseşte de obicei la ieşirea cipului şi se conectează la împământare sau la o sursă de tensiune.

O altă variantă a MOSFET-ului, V-MOS, este de fapt un MOSFET de putere îmbunătăţit, şi este prezentat în figura de mai jos. O altă variantă, similară, U-MOS, este mult mai uşor de produs.

2.10 Tiristorul

Tiristoarele reprezintă o plajă largă de dispozitive semiconductoare bipolare folosind patru (sau mai multe) straturi alternante N-P-N-P. În categoria tiristoarelor intră: redresoare controlate pe bază de siliciu (SCR), TRIAC-uri, DIAC-uri, tiristoare tip GTO, tranzistoare uni-joncţiunie (UJT), tranzistoare uni-joncţiune programabile (PUT). Vom analiza aici doar SCR-ul, deşi vom menţiona şi GTO-ul.

Tiristorul cu patru straturi a fost propus de Shockley în 1950, deşi practic, acesta a fost construi mulţi ani mai târziu de către General Electric. Puterile suportate de SCR ajung până la ordinul MW.

Redresorul controlat pe bază de siliciu este o diodă cu patru straturi şi o poartă, asemenea figurii de mai jos (a):

Dacă este „pornit”, acesta se comportă precum o diodă, pentru o singură polaritate a curentului. Dacă nu este „pornit”, nu conduce curent. Modul de funcţionare poate fi exmplicat cu ajutorul conexiunii echivalente realizate din tranzistoare bipolare cu joncţiune din figura de mai sus (b). Un semnal de pornire pozitiv este aplicat între poartă şi catod. Tranzistorul NPN echivalent va începe să conducă curent ceea ce va duce şi la declanşarea conducţiei tranzistorului PNP. În acest moment, tranzistorul NPN va conduce curent chiar şi în absenţa semnalului pe poartă, Odată ce un dispozitiv SCR începe să conducă, o va face atâta timp cât este prezentă o tensiune pe anod (infinit, în cazul circuitului cu baterie de mai sus).

Modul de confencţionare

Catodul unui SCR, ce corespunde emitorului echivalent al tranzistorului NPN este puternic dopat, N⁺. Anodul, ce corespunde emitorului echivlanet al tranzistorului PNP, este şi el puternic dopat, P⁺. Celelalte două regiuni din mijloc, ce corespund bazei şi colectorului tranzistoarelor echivalente, sunt dopate mai uşor, N^- şi P (figura de mai jos (a)). Simbolurile tiristoarelor SCR şi GTO sunt prezentate de asemenea în figura de mai jos ((b) respectiv (c)).