Curs 9 Materiale semiconductoare Materialele semiconductoare sunt materiale care au valoarea conductivităţii electrice cuprinsă în intervalul de valori (10-6 - 105) 1/Ωm, puternic dependentă de condiţiile exterioare (temperatură, câmp electric, câmp magnetic etc.) şi de structura internă a acestora (natura elementelor chimice componente, defecte, impurităţi etc.). Conductibilitatea electrică a materialelor este determinată în anumite condiţii energetice de apariţia purtătorilor de sarcină electrică, şi de deplasarea acestora în structura internă a materialului respectiv. Descrierea purtătorilor de sarcină electrică se realizează pe baza modelului simplificat al benzilor energetice al corpului solid. Conform acestui model, electronii atomului sunt plasaţi pe diferite nivele energetice, care pot fi grupate în benzi energetice. Există o bandă energetică în care toate nivelele energetice sunt ocupate de electroni. Această bandă se numeste bandă de valenţă, iar electronii respectivi se numesc electroni de valenţă. În structura cristalină a materialului, aceşti electroni sunt legaţi prin legături covalente, fiind imobili. Banda energetică în care nivelele energetice au valorile cele mai mari se numeşte bandă de conducţie. În această bandă, toate nivelele energetice sunt libere. Pentru ca un electron să poată ocupa un nivel energetic în benda de conducţie este necesar ca acesta să beneficieze de un aport energetic. Electronul care ocupă un nivel energetic din banda de conducţie se numeşte electron de conducţie. Electronii de conducţie sunt liberi să se deplaseze prin structura cristalină a materialului. Aceşti electroni provin din electronii de valenţă care, pe baza aportului energetic provenit din exteriorul materialului, pot rupe legăturile covalente în care au fost iniţial fixaţi devenind electroni liberi. Datorită faptului că se pot deplasa, electronii de conducţie participă la generarea curentului electric prin structura unui material. Tipul unui material electronic poate fi caracterizat de modul în care sunt dispuse benzile energetice ale acestuia. Informaţiile despre dispunerea benzilor energetice sunt furnizate de către diagrama de benzi energetice a materialului respectiv.
Figura 1.
1
În figura 1.a se prezintă diagrama benzilor energetice pentru materialele conductoare. Prin EC s-a notat nivelul energetic inferior al benzii de conducţie, iar prin EV s-a notat nivelul energetic superior al benzii de valenţă. Se observă că, pentru materialele conductoare, cele două benzi energetice prezintă o suprapunere. În acest caz, conducţia curentului electric este asigurată de către un singur tip de purtători de sarcină electrică şi anume electronul de conducţie. În figura 1.b se prezintă diagrama benzilor energetice pentru materialele izolatoare, respectiv semiconductoare. În acest caz, se remarcă faptul că banda de conducţie este izolată de banda de valenţă de o a 3a bandă energetică, numită bandă interzisă. Banda interzisă grupează nivele energetice care NU sunt permise electronilor; electronii nu pot ocupa nivelele energetice din această bandă. Diferenţa dintre materialele semiconductoare şi cele izolatoare este dată de lăţimea benzii interzise, notate EG, la materialele izolatoare fiind mult mai mare (≅5eV; eV=electron-volt) decât la cele semiconductoare (≅1,1eV). În cazul în care, materialul izolator sau semiconductor este supus acţiunii unui agent exterior (câmp electric, magnetic, căldură, lumină), se poate furniza unora dintre electronii de valenţă energia necesară depăşirii benzii interzise astfel încât aceştia pot ajunge pe un nivel energetic superior, aflat în banda de conducţie. În consecinţă, printr-un aport energetic extern suficient de mare, aceşti electroni de valenţă devin electroni de conducţie, fiind liberi să se deplaseze prin structura cristalină a materialului. Prin plecarea unui electron din banda de valenţă, se eliberează un loc pe un nivel energetic din banda de valenţă, care, în continuare, poate fi ocupat de un alt electron de valenţă, aflat pe un nivel energetic inferior în banda de valenţă. Locul liber, lasat prin plecarea unui electron de pe un nivel energetic al benzii de valenţă se numeşte gol. La materialele semiconductoare şi izolatoare, fenomenele de conducţie ale curentului electric sunt generate de apariţia electronilor de conducţie şi a golurilor.
Clasificarea materialelor semiconductoare Materialele semiconductoare pot fi: ¾ elementare: carbon, siliciu, germaniu, staniu, bor, fosfor, arsen, stibiu, sulf, seleniu, telur si iod, ¾ compuse, sunt de ordinul sutelor, cele mai frecvent utilizate fiind: galiu-arsen, solide de indiu – arsen. Din punct de vedere al legaturilor interatomice semiconductorii se pot clasifica în: ¾ semiconductori cu legatura covalenta, directionala, realizata prin asocierea a doi electroni cu spini antiparaleli proveniti de la 2 atomi învecinati, cum sunt: Si, Ge, Sn, S, Se si Te; ¾ semiconductori cu legatura hibrida, cum sunt: solutiile solide ale indiului cu arsen si GaAs. Cu cât gradul de ionicitate – subunitar – este mai ridicat, cu atât legatura are un caracter ionic mai pronuntata, iar materialul are o comportare dielectrica, mai pronuntata După cum în banda interzisă se găsesc sau nu niveluri adiţionale produse prin doparea – cu impurităţi selectate –semiconductori pot fi: ¾ extrinseci ¾ intrinseci
2
2.1. Materiale M sem miconductoaare intrinseeci. Mateerialele ssemiconductoare intrrinseci suunt mateeriale semiconduuctoare puree, la care attomii din reeţeaua cristaalină sunt dde un singur tip, din grupa aIVa a tabeelului perioddic al elementelor şi anuume: Siliciul şi Germaniul. În prezent, cel c mai utilizat element pentru obţinnerea materialeloor semicondductoare estee siliciul, strructura sa fiiind prezentaată în Figura 2.
Figuraa 2. Reveninnd la diagraama benziloor energeticce, la temperaatura de 00K, electronnii sunt pllasaţi numai în î banda de valenţă. Deeoarece nu eexistă electronni de condducţie (electtroni liberi)), în structura materialuului semico onductor nuu se genereaază curent eleectric. Laa temperaturri mai mari de d 00K, o paarte a energieii termice estte preluată de d către electtronii de valeenţă, care, beneficiind de acest aport a energetiic, pot trecee de nivelelle energeticee din banda innterzisă şi ajunge aj pe nivvelele energgetice din bannda de condducţie, devennind liberi să s se deplasezze prin strucctura materiaalului. Prrin plecarea acestor elecctroni din banda b de valennţă, locul occupat iniţial de către acceştia pe nivellul energeticc din banda de d valenţă deevine liber, alltfel spus - ggol. Acest gool poate fi occupat Figura 3. de un alt electronn de valenţăă, fără un aport a energetic e suubstanţial. Accest al 2lea electron de valenţă, prin n ocuparea nnivelului eneergetic lăsat liber de d primul electron, lasăă la rândul lui l un nou looc liber, un nou gol, pee nivelul eneergetic ocuppat în banda b de valenţă. Se connstată astfel,, o deplasaree a golurilor în banda de valenţă, mo otiv pentru caare şi golul g este unn purtător dee sarcină mobbil. Acest feenomen este prezentat înn Figura 3. Acelaşşi fenomen poate p fi expllicat pe bazaa structurii reţelei cristalline a atomuului de siliciuu. La 0 temperatura t de 0 K, atomii de siliciu sunt legaţii prin legătu uri covalente la care fiecaare dintre acceştia participă p cu câte 4 electtroni de valeenţă. La niveelul reţelei crristaline, eleectronii de valenţă pot căăpăta suficientă en nergie astfel încât să rupă legăturile covalente înn care au fostt fixaţi. Prin ruperea legăăturii covalente, c electronii de valenţă deviin liberi (devvin electronii de conducţţie) şi lasă în n urmă, la nivvelul 3
atomului a dee unde au pllecat un goll, caracterizaat printr-un un exces dee sarcină poozitivă la nivvelul atomului a resspectiv. Din acest motivv, golul respeectiv poate fi f echivalat, din punct dee vedere electric, cu c o sarcinăă electrică po ozitivă fictivvă. În continnuare, dacă un u alt electroon de valenţăă rupe o legătură covalentă, c devenind d libeer, poate ocuupa golul lăsat de primull electron de valenţă. Accest fenomenn este sugerat în Fiigura 4.
Figura 4. Purtători P mobili m de sarrcină electriică Purtătoorii mobili de sarcină electrică înn semiconduuctoare sunt electronii de conducţţie şi golurile. g Deeoarece aceştia sunt mobbili, se pot ddeplasa prin structura semiconductorrului. În cazzul în care c deplasaarea purtăto orilor de sarrcină este oorientată (nuu este haoticcă), fenomeen care se poate p observa, o de exemplu, înn cazul în care c se apliccă asupra seemiconductoorului un câm mp electric, prin miconductorrului se observă apariţiaa unor fenomene de coonducţie elecctrică (fenom mene structura sem legate l de generarea cuurentului eleectric). În coonsecinţă, fenomenele f de conducţiie în materiialele semiconducttoare sunt geenerate pe baaza electronilor de conduucţie şi a golurilor. Generarea purtătorilorr mobili de sarcină Din ceele prezentatee mai sus se constată că,, într-un matterial semicoonductor, purrtătorii mobiili de sarcină (elecctroni de connducţie şi gooluri) sunt geeneraţi prin ruperea r legătturilor covallente. În pluss, se constatăă că prin creeşterea tempperaturii, num mărul de electroni de vaalenţă care caapătă suficientă energie e penntru a rupee legăturile covalente, creşte. Înn concluzie,, prin creşşterea temperaturii t i, tot mai mu ulte legăturii covalente se s rup şi asttfel sunt genneraţi tot maai mulţi purttători mobili m de saarcină. Mecannismul de geenerare a purrtătorilor moobili de sarcină în semicconductoare pe baza creşterii temperaturii t i se numeşte generare terrmică de purrtători de sarrcină. Din fennomenele deescrise mai sus s s-a consttatat că, prin n ruperea legăturilor covaalente, electrronii de conducţiie şi golurilee sunt generraţi în perecchi. Deoareece electroniii de conduccţie şi golurille sunt generraţi în perechhi, concentraaţiile de purttători mobili m de saarcină electrrică într-un semiconducctor intrinsecc sunt egalee. Concentraaţiile de purttători mobili m de saarcină electriică într-un seemiconductoor se noteazăă astfel: n = concentraţia dee electroni de d conducţie,, p = concentraţia dee goluri. 4
Valoarea comună a acestor concentraţii se numeşte concentraţie intrinsecă şi se notează cu ni. În concluzie, pentru un semiconductor intrinsec este valabilă relaţia: n = p = ni (1) Concentraţia intrinsecă creşte cu creşterea temperaturii semiconductorului. La temperatura camerei, considerată 3000K, ni are valoarea 1,45×1010cm-3 pentru siliciu, respectiv 2×1013cm-3, la germaniu. În Figura 6 se prezintă modul în care variază cu temperatura T concentraţia intrinsecă a unui material semiconductor din siliciu.
Figura 5. Recombinarea purtătorilor de sarcină În cadrul semiconductoarelor, pe lângă mecanismul de generare a purtătorilor de sarcină este prezent şi mecanismul invers, care duce la dispariţia purtătorilor de sarcină. Mecanismul respectiv se numeşte recombinare de purtători de sarcină şi este caracterizat prin revenirea electronilor de pe un nivel energetic superior, din banda de conducţie, pe un nivel energetic inferior, în banda de valenţă. Revenirea în banda de valenţă a unui electron de conducţie duce atât la dispariţia unui electron de conducţie cât şi a unui gol. Deci, mecanismul de recombinare a purtătorilor de sarcină duce la dispariţia în perechi a acestora. 2.2. Doparea materialelor semiconductoare. Materiale semiconductoare extrinseci. Fenomenul de dopare constă în introducerea în materialul semiconductor intrinsec, prin diverse procedee controlate, a unor atomi diferiţi faţă de cei din Si sau Ge, denumiţi şi atomi de impuritate, în scopul modificării proprietăţilor electrice ale materialului semiconductor. Un material semiconductor dopat cu atomi de impuritate se numeşte material semiconductor extrinsec. Condiţia necesară ca un material semiconductor să fie extrinsec este ca concentraţia de atomi de impuritate cu care este dopat materialul semiconductor intrinsec, notată Nimpurităţi să fie mult mai mare decât concentraţia intrinsecă ni:
Nimpuritati >> ni
(2) 5
Materialele semiconductoare extrinseci sunt utilizate pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare: circuite integrate, tranzistoare sau diode. Atomii de impuritate cu care se dopează materialele semiconductoare intrinseci sunt atomi din grupele V, respectiv III, din care cei mai frecvent utilizaţi sunt cei prezentaţi în Figura 6.
Figura 6. În funcţie de atomii de impuritate cu care sunt dopate materialele semiconductoare intrinseci, materialele semiconductoare extrinseci se împart în 2 categorii: ¾ materiale semiconductoare de tip N ¾ materiale semiconductoare de tip P Materiale semiconductoare de tip N Pentru obţinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este dopat cu atomi de impuritate pentavalenţi, (din grupa a Va a tabelului periodic al elementelor chimice), care, în structura cristalină a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Patru din cei cinci electroni de valenţă a atomului de impuritate formează 4 legături covalente cu electronii de valenţă ai atomilor de Siliciu sau Germaniu învecinaţi, în timp ce al 5lea electron de valenţă al atomului de impuritate este slab legat, astfel că la temperatura camerei primeşte suficientă energie pentru a se desprinde de atomul de impuritate, devenind astfel electron liber, sau electron de conducţie, capabil să participe la fenomenele de conducţie, aşa cum este prezentat şi în Figura 7.
Figura 7. Se constată că formarea electronului de conducţie nu este însoţită de generarea unui gol. Electronii de conducţie obţinuţi în acest mod sunt generaţi prin doparea materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obţinere a electronilor de conducţie, aceştia mai pot fi 6
generaţi şi prin mecanismul de generare termică (prin creşterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui electron de conducţie este însoţită de generarea unui gol. Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului semiconductor de tip N, concentraţia de electroni de conducţie este mult mai mare decît cea de goluri. Din acest motiv, electronii de conducţie se numesc purtători de sarcină majoritari, iar golurile se numesc purtători de sarcină minoritari. Deoarece atomul de impuritate cedează acest al 5lea electron de valenţă, el se numeşte atom donor. În urma cedării celui de al 5lea electron, atomul donor devine ion pozitiv (se reaminteşte că un atom este neutru dpdv electric; prin cedarea unui electron, atomul respectiv devine ion pozitiv, iar prin primirea unui electron, atomul respectiv devine ion negativ). Materiale semiconductoare de tip P Pentru obţinerea acestui material electronic, semiconductorul intrinsec este impurificat cu atomi trivalenţi, (din grupa a IIIa a tabelului periodic al elementelor chimice), cum ar fi borul, galiul, indiul, care, în structura cristalină a materialului substituie atomii de siliciu sau germaniu. Atomul de impuritate poate participa, prin cei trei electroni de valenţă ai săi, la formarea numai a trei legături covalente cu electronii de valenţă ai atomilor de siliciu sau germaniu învecinaţi, lăsând electronul de valenţă al celui de-al 4lea atom de siliciu învecinat fără legătură covalentă, astfel creînd un gol la nivelul atomului de impuritate respectiv. Electronul de valenţă al celui de-al 4lea atom de siliciu învecinat (în Figura 8, atomul de siliciu din dreapta) poate forma o legătură covalentă cu un alt electron de valenţă al unui alt atom de siliciu învecinat, care, prin completarea acestei legături covalente, lasă la rîndul său, în urma sa un gol.
Figura 8. Se constată că formarea unui gol nu este însoţită de generarea unui electron de conducţie. Golurile obţinute în acest mod sunt generate prin impurificarea materialului cu atomii de impuritate. Pe lângă acest procedeu de obţinere a golurilor, acestea mai pot fi generate şi mecanismul prin generare termică (prin creşterea temperaturii), dar, în acest caz, generarea unui gol nu este însoţită de generarea unui electron de conducţie. Din cele prezentate mai sus, se constată că, în cazul materialului semiconductor de tip P, concentraţia de goluri este mult mai mare decît cea a electronilor de conducţie. Din acest motiv, golurile se numesc purtători de sarcină majoritari, iar electronii de conducţie se numesc purtători de sarcină minoritari. 7
Deoarece atomul de impuritate primeşte un electron de valenţă de la un atom de siliciu învecinat, el se numeşte atom acceptor. În urma primirii acestui electron, atomul acceptor devine ion negativ. Proprietatile semiconductorilor Spre deosebire de metale, în cazul temperaturilor uzuale, rezistivitatea semiconductoarelor scade pe masură ce temperatura creşte (figura 2.4). Pe baza acestei proprietăţi se realizează termistoarele, termoelementele, straturile termoemisive etc. Creşterea gradului de impurificare voită (dopare) sau accidental (impurităţi necontrolate) determină o creştere a conductivităţii semiconductoarelor.Astfel, la temperatura normală, Ge pur are rezistivitatea de 0.47Ωm, dar impurificat cu atomi de Sb în raportul 1 :8 10 prezintă o rezistivitate de numai 0.04 Ωm.Dacă însă concentraţia impurităţilor depăşeşte o anumită valoare mobilitatea purtătorilor de sarcină şi deci conductivitatea semiconductorilor prezintă o tendinţă de scădere.
Figura 2.4. Influenţa impurităţilor asupra conductivităţii şi rezistivităţii. Doparea semiconductoarelor se realizează, practic, prin metoda tragerii sau a topirii zonare.
Figura 2.5. Dependenţa conductivităţii de temperatură prin efect intrinsec şi extrinsec. Deşi pentru cei mai mulţi semiconductori dependenţa directă de temperatură a conductivităţii este valabilă pentru întreg domeniul de temperaturi în care sunt utilizaţi tehnic, pentru unii semiconductori până la temperatura T1 predomină efectul de creştere a concentraţiei purtătorilor (efect intrinsec) iar peste această temperatură predomină efectul de frânare prin agitaţie termincă. Alţi semiconductori la temperaturi sub valoarea T2 creşterea conductivităţii este lentă datorită agitaţiei termice iar apoi creşterea este rapidă prin efect intrinsec. Rezultă că trebuiesc respectate riguros limitele de temperatură prescrise pentru asigurarea unei exploatări optime şi cu durată de viaţă maximă a semiconductorului. Cantitatea de impurităţii necesară m pentru obţinerea –prin metoda tragerii- a unui semiconductor cu o anumită rezistivitate şi o concentraţie uniformă se determină cu relaţia: 8
unde M reprezintă masa semiconductorului care se impurifică (Kg), d –densitatea sa (Kg/m³); A –concentraţia masică a atomilor de impuritate(Kg–1); N –concentraţia volumică a impurităţilor din prima porţiune a cristalului semiconductor (m–3); k –un coeficient de repartiţie a impurităţii utilizate. Gradul de impurificare al unui semiconductor (concentraţia impurităţilor) se poate determina prin masurarea rezistivităţii sale, iar în cazul unei dopări neuniforme prin măsurarea variaţiei rezistivităţii în lungul cristalului.În funcţie de natura şi conţinutul impurităţilor se realizează o mare varietate de dispozitive semiconductoare : diode, tranzistoare, etc. Cu creşterea intensităţii câmpului electric, creşte probabilitatea de tranziţie a electronilor de pe nivelurile donoare (sau din banda de valenţă) în banda de conducţie.În felul acesta, creşte concentraţia purtătorilor de sarcină din banda de conducţie şi deci conductivitatea corpului. Anumite cristale (sulfuri de zinc) prezintă, sub acţiunea câmpului electric, fenomenul de luminescenţă. În cazul existenţei unei joncţiuni lărgirea stratului de blocare şi deci rezistenţa electrică a acestuia depind atât de intensitatea câmpului electric cât şi de sensul câmpului electric stabilit prin corp. Această proprietate este utilizată îndeosebi la fabricarea diodelor redresoare, tranzistoarelor, fotoelementelor etc. Acţiunea câmpurilor magnetice exterioare asupra materialelor semiconductoare se manifestă prin fenomenul de magnetizare, efectul Hall şi efectul magnetostrictiv. Efectul magnetostrictiv direct constă în modificarea dimensiuniilor unui corp sub acţiunea unui camp magnetic. Semiconductoarele se utilizează ca materiale magnetostrictive datorită valorilor mari ale rezistivităţii lor. Efectul Hall constă în apariţia unei tensiuni electrice Un între feţele laterale ale unei plăci semiconductoare de grosime d parcursă de curentul I şi situată într-un câmp magnetic de inducţie B, perpendicular pe ea:
Mărimea RH, numită constanta Hall, variază mult mai puţin decât în cazul metalelor, motiv pentru care semiconductoarele se utilizează la fabricarea generatoarelor Hall cu aplicaţii în măsurarea câmpului magnetic, a intensităţii câmpului electric, a puterii, în amplificare, în telecomenzi etc. Acţiunea luminii sau a altor radiaţii se manifestă asupra semiconductoarelor prin efectele fotoelectrice :fotoconductiv, fotovoltaic şi de luminescenţă. În cazul efectului fotoelectric, energia radiaţiei este utilizată pentru smulgerea electronilor din materiale, adică pentru obţinerea fotocatozilor. Efectul fotoconductiv, adică mărirea conductivităţii materialului sub acţiunea radiaţiilor luminoase stă la baza realizării celulelor fotoconductive sau fotorezistente. Efectul fotovoltaic constă în apariţia, sub acţiunea radiaţiilor, a unei tensiuni electromotoare la jonctiunea p-n dintre doua semiconductoare (tensiune datorată purtătorilor de sarcină eliberaţi prin iradiere care traversează joncţiunea şi se acumulează în cei doi semiconductori electroni în n şi goluri în p).Stă la baza realizării celulelor fotovoltaice. Efectul de luminiscenţă se utilizează îndeosebi pentru construirea dispozitivelor sensibile la radiaţii ultraviolete sau Roentgen. Sub acţiunea solicitărilor mecanice se distruge reţeaua cristalină şi deci se modifică rezistivitatea corpului.Acest fenomen este utilizat în realizarea traductoarelor mecano-electrice : microfoane cu carbune, accelerometre etc. 9
De asemenea, se produce un fenomen magnetostrictiv invers :prin modificarea dimensiunilor semiconductorului se produce o variaţie a câmpului magnetic în care se află acesta.Efectul piezoelectric – însoţit de apariţia unor sarcini electrice pozitive şi negative pe feţele opuse ale unei plăci semiconductoare supuse, unor solicitări mecanice – este utilizat în fabricarea traductoarelor de presiune, a forţelor, acceleraţilor, a generatoarelor de ultrasunete etc. Este prezent doar în cazul semiconductorilor piezoelectri. Utilizarile Sunt utilizate la obţinerea dispozitivelor semiconductoare: tranzistoare, diode, etc precum şi la realizarea circuitelor integrate. Doparea precisă a elementelor semiconductoare – în vederea obţinerii joncţiunilor a permis realizarea diodelor semiconductoare, tranzistoarelor, tiristoarelor, varistoarelor, elementelor electroluminiscente etc. Diode semiconductoare sunt dispozitive cu o singură jonctiune p – n. Se realizează în mai multe variante : diode redresoare, varicap, pentru frecvenţe ultraînalte etc. Diodele redresoare se obţin din Ge, Si, GaAs, Se etc.Diodele cu Si de mică putere (obţinute prin difuzie) se utilizează in instalaţii cu curenţi slabi (receptoarele de televiziune), iar cele de mare putere – obţinute printr-o tehnologie planară – în instalţii de redresare pentru curenţi intenşi. Diodele cu contact punctiform se realizeza dintr-o pastilă de Ge dopat cu Sb (cu rezistivitatea de 0.01……0.05 Ωm) şi un fir de wolfram sau aur. Diodele de frecvenţă ultraânaltă sunt diode punctiforme realizate din Ge sau Si de rezistivitate redusă şi cu fir de aur de circa 3 µm diametru. Diodele tunel se obţin din materiale semiconductoare cu concentraţie de impurităţi 3 25 10 − > m N (cazuri în care nivelul limită Fermi se află într-o bandă permisă şi rezistivitatea m Ω = µ ρ 30 ...... 10 . Diodele Zener se realizează din Si, cu joncţiune de suprafaţă. Tranzistoarele. Sunt constituite dintr-un strat p sau n puternic dopat – numit emior E -, un strat dopat mediu şi cât mai subţire posibil – baza B – şi un strat p sau n de concentraţie mai redusă – numit colector C. Tranzistoarele cu efect de camp (TEC) prezintă impedanţa mare la intrare şi zgomot foarte redus, se realizează cu grila joncţiune sau cu grila izolată. Tiristoarele sunt dispozitive cu trei jonctiuni pnpn, obţinute prin difuzie unilaterală sau bilaterală în cristal de tip p sau n a unor impurităţi acceptoare sau donoare.Tiristoarele de putere se construiesc, de obicei, prin difuzie bilaterală a unor impurităţi acceptoare într-un semiconductor de tip n urmată de alierea sau difuzia unei noi impurităţi donoare.Se utilizează în circuitele de comutaţie, la celulele de redresare cu electrod de comandă etc. Elemente electroluminiscente. Se caracterizează prin apariţia – la introducerea lor într-un camp electric – a unor radiaţii luminoase. Se obţin din: sulfura de zinc sau de cadmiu, activate cu Cu, Ag, Mn sau cu unul dintre constituenţii aflaţi în exces. Se realizează panouri electroluminescente, ecrane pentru osciloscoape, televizoare etc. Varistoarele.Sunt dispozitive puternic neliniare, realizate pe bază de carbură de Si (CSi).Pulberea de CSi în amestec cu o substanţă ceramică sau o răşină termorigidă (şellac, epoxi) este presată şi arsă. Deoarece rezistenţa varistoarelor scade foarte mult cu creşterea tensiunii, ele se utilizează în construcţia descărcătoarelor cu rezistenţa variabilă de înaltă şi joasă tensiune pentru protecţia maşinilor şi transformatoarelor electrice, a instalaţiilor de telecomunicaţie etc. Semiconductoarele cu sensibilitate mare la acţiunea temperaturii se utilizează la fabricarea termistoarelor, termoelementelor, a elementelor termoemisive etc.
10
Termistoare.Sunt rezistoare neliniare realizate din amestecuri de oxizi de: Mn, Ni, Co, Fe etc. şi caracterizate printr-un coeficient de variaţie al rezistivităţii cu temperatura foarte mare şi negativ. Termistoarele se realizează sub formă de bare, discuri sau perle, în funcţie de domeniul de utilizare: Rezistenta la rece a barelor si discurilor este de ordinul sutelor sau miilor de ohmi şi scade, la cald, sub 1Ω.Din acest motiv sunt utilizate ca stabilizatoare ale punctelor statice de funcţionare ale tranzistoarelor.Perlele introduse în tuburi de sticlă, se utilizează pentru măsurarea temperaturii, sau ca relee de timp. Perlele înconjurate de o rezistenţa parcursă de curent electric şi introduse întrun balon de sticlă vidat, se utilizează ca dispozitive de reglaj. Termoelemente.Sunt conbinaţii de două semiconductoare sau de un semiconductor şi un metal, lipite între ele la cele două capete şi dispuse la temperaturi diferite. Se realizează din Te Sb , Se Bi , Te Bi , PbTe , PbSe , PbSb , SnSb , CoSb etc. Straturi termoemisive.Se obţin din oxizi ai metalelor alcalinopământoase şi constituie catozii tuburilor electronice cu emisie la cald, lucrul mecanic de extracţie a electroniilor fiind mai redus decât în cazul catoziilor (metalici) cu emisie la rece. Generatoarele Hall şi dispozitivele pe bază de ferite reprezintă aplicţiile cele mai importante ale semiconductoarelor sensibile la acţiunea câmpului magnetic. Se utilizează HgSe, HgTe, InAs, InSb, etc.Generatoarele Hall se utilizează pentru măsurarea inducţiei magnetice, a curentului continuu de intensitate mare, a cuplului motoarelor electrice, a puterii în c.c. etc. Aceste materiale se utilizează la fabricarea tuburilor fotoelectrice, a celulelor fotoconductoare şi fotovoltaice, a fototranzistoarelor, a elementelor luminiscente şi fotorescente etc. Tuburi fotoelectrice.Construcţia lor se bazează pe efectul fotoelectric interior : iluminate, ele îşi modifică conductivitatea electrică şi determină, astfel, variaţii ale curenţiilor electrici care le parcurg.Se confecţionează prin depunerea pe un grătar metalic a unui strat semiconductor de Se, TeS, CdS, CdSe, PbS, PbSe etc. Se utilizează în instalţii de semnalizare, protecţie, comandă etc. Celule fotovoltaice. Aceste dispozitive cuprind fotoelementele, fotodiodele şi fototranzistoarele.Fotoelementele se deosebesc de toate tipurile de dispozitive fotoelectrice prin faptul că nu conţin surse de alimentare cu tensiune electrică. Astfel un fotoelement de dimensiuni relativ reduse poate genera sub acţiunea radiaţiilor luminoase, o tensiune electromotoare de 0.5V (respectiv o putere de 22.5mW în circuitul de sarcină). Ca materiale semiconductoare se utilizeazaă: AgS , O Cu , Se 2 . Prin gruparea mai multor fotoelemente se pot obţine baterii solare cu puteri până la 2 m / W 200 (cu un randament al transformarii energiei luminoase în energie electrică de 11%) Fotodiodele au zone sensibile la radiaţii luminoase situate în interiorul materialului semiconductor.Se obţin, prin aliere, tragere etc., din Ge, Si. Fototranzistoarele – având una din joncţiunile p – n expuse radiaţiilor luminoase – se realizează din aceleaşi materiale ca şi fotodiodele. Luminoforii şi fosforii se utilizează la fabricarea dispozitivelor cu fluorescenţă sau fosforescenţă, a ecranelor tuburiilor catodice, a lămpilor fluorescente, a panourilor luminoase.Luminoforii utilizaţi în tehnică se obţin din sulfuri, selenuri, silicati, wolframaţi, boraţi etc. activaţi cu Cu, bismut, mangan etc. Traductoarele piezoelectrice se realizează din material semiconductoare a căror structură nu prezintă un centru de simetrie al sarcinilor punctuale, de exemplu GaAs, InSb etc.În practică sunt des intalnite traductoare piezoelectrice realizate din cuarţ sau turmalină, materiale care, după cum se ştie, fac parte din clasa izolanţilor. Se uitlizează pentru măsurarea presiunii, a forţelor şi acceleraţilor în tensometrie, defectoscopie etc. Traductoarele de presiune – rezistenţa electrică se realizează din granule (microfoane) sau discuri subţiri (traductoare industriale) din carbune, plasate între două plăci conductoare şi care îşi modifică rezistenţa electrică sub acţiunea solicitărilor mecanice (statice sau dinamice). Asemenea 11
dispozitive se utilizează în construcţia accelerometrelor, în telefonie, pentru înregistrarea informaţiei etc. În afara aplicaţiilor prezentate, materialele semiconductoare se utilizează la fabricarea circuitelor integrate (monocristale care conţin rezistoare, diode, tranzistoare), a laserilor şi maserilor, a instalaţiilor frigorifice, a termoelementelor, a modelatoarelor de radiaţii infraroşii, a celulelor fotoelectromagnetice, în măsurarea distanţelor submicroscopice etc.
12
