Elemente de contductibilitate electric 259 a st 259 ri

Elemente de conductibilitate electrică a stării

solide

• Corpul solid (caracterizată macroscopic prin formă geometrică proprie şi volum determinat) se manifestă prin două forme sau stări de existenţă:– Starea amorfă obţinută prin răcirea stării lichide a unor corpuri care nu au o temperatură de topire bine determinată (de exemplu, sticla, masele plastice, cauciucul, unele aliaje metal – nemetal etc.) şi care, prin răcire, devin din ce în ce mai vâscoase

- Starea cristalină este starea care prezintă o aranjare a unităţilor structurale ale sistemului (ioni, atomi, molecule) într-o ordine bine definită în cele 3 dimensiuni spaţiale.

Conductibilitatea electrică

• Electronii liberi din metale, în absenţa unui câmp electric exterior, se mişcă haotic şi dezordonat, cu viteza medie de agitaţie termică :

v

v

• Sub acţiunea unui câmp electric exterior fiecare electron liber va începe să se mişte accelerat în direcţia câmpului electric exterior, cu viteza de drift:

Emead

vv

• Dacă concentraţia electronilor liberi (numărul de electroni liberi din unitatea de volum) este n , va apare un curent de conducţie cu densitatea superficială:

EvendtdQ

Sdd

SddIj d

legea vectorială a lui Ohm

• Conductivitatea electrică :

mne2

B.P.

B.I.

B.P.

B.I.

B.P.

E E

0 a r

1s

2s

2p

Formarea benzilor de energie

• Cauza fizică ce determină deplasarea nivelelor energetice ale atomilor în procesul de formare al cristalului, precum şi apariţia benzilor de energie permisă este interacţiunea dintre electronii diferiţilor atomi, a cărei intensitate creşte odată cu apropierea atomilor.

• Fiecărei subpături de electroni ai atomilor individuali

îi corespunde în cristalul nou format o bandă de energie permisă (BP). Benzile de energie permisă sunt separate prin benzi de energie interzise (BI).

Clasificarea corpurilor solide din punct de vedere al structurii de benzi

• Banda de energie permisă ocupată (parţial sau total) de electroni de valenţă se numeşte bandă de valenţă (BV) sau bandă fundamentală;

• Urmează banda interzisă (BI), a cărei lărgime se notează cu şi se măsoară în eV (1 eV = 1,6 · 10-19 J).

• Banda de energie permisă, situată deasupra acestei benzi interzise, se numeşte bandă de conducţie (BC).

Din analiza structurii şi a lărgimii benzilor energetice permise şi

interzise, corpurile solide se împart în: conductori, semiconductori şi

izolatori.

gE

monovalente

valenţăsuperioară

..CB ..CB

..CB..CB

..VB ..VB ..VB

Metal torSemiconducIzolator

eVEg 31,0~ eVEg 3

Natura conductibilităţii

Apariţia electronilor liberi se explicăprin forţa de legătură foarte slabă a electronilor de valenţă.

Rezistenţa electrică a metalelor este determinată de frecvenţa ciocnirilor electronilor liberi cu ionii pozitivi din nodurile reţelei. Ionii sunt într-o permanentăvibraţie termicăîn jurul unei poziţii de echilibru.

La temperaturi foarte coborâte, semiconductoarele sunt izolatoare, iar la temperaturi ridicate sunt conductoare destul de bune.

În categoria semiconductoarelor intrăo mare

varietate de substanţe: oxizi, compuşi,

elemente chimice ca siliciul, germaniul,

seleniul, etc.

În dispozitivele electronice semiconductoare, cele mai utilizate materiale sunt cristalele elementelor tetravalente Ge şi Si şi a unor compuşi intermetalici, îndeosebi GaAs (arseniură de galiu).

În cazul semiconductoarelor, electronii de valenţă sunt legaţi de atom mai slab decât la materialele izolatoare. Aceste legături pot fi rupte dacă electronii primesc o energie suficientă devenind astfel electroni liberi.

Pentru trecerea electronilor din stadiul de electroni legaţi de atomîn starea de electroni liberi, trebuie transmisăo energie minimă ∆W, numită energie de activare.

Pentru semiconductoare, energia de activare se plaseazăîn domeniul 0,025 … 3 eV.

Fiecare material semiconductor în parte este caracterizat de o anumităvaloare a energiei de activare.

Astfel, pentru Ge avem ∆W= 0,72 eV, pentru Si, ∆W = 1,1 eV, etc.

Tipuri de semiconductori

• semiconductori intrinseci (fără impurităţi), a căror conducţie electrică se datorează doar trecerii electronilor din BV în BC;

• semiconductori extrinseci (cu impurităţi), la care conducţia electrică se datorează, în plus, şi unui număr foarte mic de atomi străini.

Un semiconductor asupra căruia nu acţionează agenţi exteriori cumar fi: câmp electromagnetic, radiaţii cu particule sau electromagnetice, se spune căse află la echilibru termic.

Structura benzilor energetice la un semiconductor intrinsec

• În acest caz, concentraţiile de electroni şi goluri generaţi prin mecanism intrinsec, depind de temperatura absolută:

ni, pi sunt concentraţiile de electroni şi goluri în semiconductorul intrinsec;T - temperatura absolută;

k - constanta lui Boltzmann;∆W- lăţimea benzii interzise;A- constantă;i- indice care aratăcăprocesul se referăla semiconductor intrinsec;

Dacă în semiconductor apare un câmp electric, electronii se vor mişca în sens invers câmpului, iar golurile în sensul liniilor de câmp.Se formează un curent de electroni ini , respectiv de goluri ipi, ambii în acelaşi sens (al liniilor de câmp).

•Curentul total de conducţie prin semiconductor este egal cu sumacelor doi curenţi.

• Componentele curentului de conducţie nu sunt egale (ini> ipi), deoarece mobilităţile celor douătipuri de purtători nu sunt egale.

Semiconductori extrinseci

• În funcţie de raportul dintre valenţa dopantului şi valenţa semiconductorului de bază se pot deosebi:

- Semiconductori de tip n, dacă , de tip donor. bazadop vv - Semiconductori de tip p, dacă

bazadop vv , de tip acceptor.

e

- As;

e -electron

Semiconductorul de bază (gr. A IV-a) şi o impuritate din gr. a V-a (As), de tip n.

EFNivel donor

Ed~0,01 eVEg ~1 eV

Banda devalenţă

Banda deconducţie


Nivele energetice în semiconductorul p.

Nivel acceptorEa~0,01 eV

Eg ~1 eV

Banda devalenţă

Banda deconducţie

EF

In semiconductorii extrinseci dopaţi cu impurităţi acceptoare, purtătorii majoritari de sarcină sunt golurile din BV datorate impurităţilor acceptoare şi a celor creaţi prin trecerea electronilor semiconductorului de bază din BV în BC.

Purtătorii minoritari sunt electronii semiconductorului de bază trecuţi din BV în BC.


In semiconductorii dopaţi cu impurităţi donoare, purtătorii de sarcină sunt electronii, de aceea semiconductorii aceştia extrinseci se numesc de tip n.

Purtătorii majoritari sunt electronii, iar purtătorii minoritari - golurile, create de electronii semiconductorului de bază.


Structura benzilor energetice la un semiconductor extrinsec cu impurităţi donoare

Structura benzilor energetice la un semiconductor extrinsec cu impurităţi

acceptoare

• Ca urmare, la temperatura ambiantă, practic toţi atomii acceptori captează câte un electron, care a primit o energie

∆Wa<< ∆Wd formându-se un număr de goluri egal cu numărul de atomi acceptori.

• Deci, golurile devin în acest caz purtători majoritari, iar electronii devin purtători minoritari.

Semiconductori intrinseci

• La temperaturi scăzute, toţi electronii sunt ataşaţi de atomii de care aparţin. Atomii în reţeaua cristalină sunt legaţi prin legături covalente, nu există electroni liberi, la T=0.

• Dacă temperature creşte, datorită agitaţiei termice, o parte din legături slăbesc şi unii electroni pot trece din BV în BC, având energie suficientă să treacă peste banda interzisă (BI).

• Prin plecarea unui electron, în locul lui rămâne un gol. Deoarece în ansamblu materialul semiconductor este neutru, golul din legătura chimică se manifestă ca o sarcină electrică pozitivă, egală în valoare cu sarcina electronului.

-generare a golurilor, prin trecerea unui electron din BV în BC;

- recombinare a electronilor cu golurile, prin trecerea electronilor din BC în BV.

Semiconductori intrinseci

Elemente de contductibilitate electric 259 a st 259 ri

Documents