Semiconductori

1
Semiconductori

• Iankovszky Cristina

2
Cuprins

• Benzile de energie. Conductori, semiconductori,
  izolatori
• Semiconductori intrinseci
• Semiconductori extrinseci
• Probleme
• Jonctiunea pn. Dioda semiconduc toare
• Caracteristicile diodei semiconductoare
• Trasarea experimentala a caracteristicilor diodei
  semiconductoare
• Redresarea curentului alternativ
• Probleme

3

• Benzile de energie.
• Conductori, semiconductori, izolatori

Banda de conductie
Nivele energetice
Banda interzisa
Eg
Banda de valenta
(nucleu)
(Click pe fiecare termen daca doriti sa aflati
mai mult..)
4
În functie de gradul de ocupare cu electroni a
benzilor de energie, corpurile solide pot fi
împartite în conductoare, semiconductoare,
izolatoare.
5
Semiconductori
Semiconductoarele sunt corpuri a caror
conductivitate electrica s 1/ ? 104....10-8
1/Om este cuprinsa între cea a metalelor si cea a
izolatoarelor, fiind influentata de temperatura (
la temperaturi joase sunt izolatoare si la
temperaturi înalte sunt conductoare.
Semiconductoare intrinseci ( pure)
Semiconductoare
Semiconductoare extrinseci ( cu impuritati
de tip n
de tip p
6
Conductia electrica a semiconductorilor
La temperaturi joase un semiconductor este un
isolator cu rezistenta electrica foarte mica.
Atomii aflati în nodurile retelei cristaline
oscileaza în jurul pozitiei de echilibru. La o
anumita temperatura vor avea o energie cinetica
finita, existând posibilitatea ca electronii
periferici sa paraseasca atomii devenind liberi.
7
Aducerea unui electron în starea de conductie
înseamna trecerea lui din banda de valenta (BV)
în banda de conductie (BC). Prin plecarea
electronului din BV în BC, în urma lui apare un
nivel energetic liber numit gol. Aparitia unui
gol este echivalenta cu aparitia unei sarcini
electrice pozitive.
Benzi de energie (eV)
Cristal de siliciu ( germaniu )
Eg
8
Daca semiconductorului i se aplica o diferenta de
potential, electronii din banda de valenta vor
începe sa se deplaseze în sens invers câmpului
electric golurile vor fi ocupate tocmai de acei
electroni care se apropie de ele, lasând în urma
lor noi goluri. Electronii se vor deplasa de la
- la iar golurile în sens invers.
Eg
Benzi de energie (eV)
În semiconductoare sunt posibile doua tipuri de
conductie electrica - conductia electronica,
determinata de deplasarea electronilor în banda
de conductie - conductie de goluri, determinata
de deplasarea golurilor în banda de valenta.
9
Semiconductori intriseci
În cazul semiconductorilor intrinseci, datorita
agitatiei termice electronii pot trece din banda
de valenta în banda de conductie BC, procesul
numindu-se excitare termica intrinseca ( generare
termica intrinseca ). În urma acestui proces apar
electroni si goluri în numar egal. Pe de alta
parte are loc si procesul invers generarii si
anume recombinarea electronilor cu golurile,
respectiv trecerea electronilor din banda de
conductie BC în banda de valenta BV. Prin urmare,
în regim de echilibru termodinamic la o anumita
temperatura T, numarul actelor de generare este
egal cu numarul actelor de recombinare, iar în
semiconductor se va stabili o concentratie
stationara de electroni si goluri libere,
concentratia electronilor liberi n0 fiind egala
cu concentratia golurilor libere p0
n0 p0 ni
Benzi de energie (eV)
Eg
generare
recombinare
ni concentratia intrinseca
unde
10
Semiconductor de tip n
Pentru a obtine un semiconductor extrinsec de tip
n se introduc într-un semiconductor pur
impuritati donoare ( donori ) adica, atomi cu
valenta V precum fosfor (P) sau arseniu (As).
11
BC
Ed
Eg
Donorii dau nivele energetice mai apropiate de
banda de conductie, electronii putând fi usor
transportati de pe un astfel de nivel pe banda de
conductie. Trecerea electronilor de pe nivelul
donor în banda de conductie poarta numele de
excitare (generare) termica extrinseca a
electronilor. Poate avea loc si procesul invers
de trecere a electronilor din banda cde conductie
pe nivelul donor, proces denumit recombinarea
electronilor pe nivelul donor.
BV
n p Nd
12
Semiconductor de tip p
Pentru a obtine un semiconductor extrinsec de tip
p se introduc într-un semiconductor pur
impuritati acceptoare ( acceptori) adica, atomi
cu valenta III precum bor (B) sau galiu (Ga) .
13
BC
Ea
Eg

• Procese care au loc în semiconductorii de tip p
• la temperaturi coborâte predomina schimbul de
  goluri dintre BV si nivelul energetic Ea al
  acceptorilor, având loc acte de generare si
  recombinare a golurilor
• la temperaturi mai înalte are loc si generarea
  intrinseca.

BV
p n Na
14
Jonctiunea p-n
n
p
Jonctiunea p-n reprezinta zona de trecere (
contact) care se formeaza într-un cristal
semiconductor, la care o parte contine impuritati
acceptoare ( tip n) iar cealalta impuritati
donoare (tip p). Ea are o largime l 10-4.10-5
cm.
15
Pentru a întelege cum lucreaza o jonctiune p-n,
sa ne imaginam ca dopam un semiconductor cu atomi
donori si altul cu atomi acceptori.
16
Aducem împreuna cei doi semiconductori astfel
obtinuti unul de tipn, altul de tip p.
17
Electronii liberi din regiunea n difuzeaza în
regiunea p, iar golurile din regiunea p difuzeaza
în regiunea n, la aceste deplasari participând în
primul rând purtatorii mobili din imediata
vecinatate a jonctiunii.
18
Ca rezultat, electronii liberi si golurile de
lânga jonctiune tind sa se manânce unii pe
altii, producând o regiune libera de orice
sarcina în miscare. Aceasta zona se numeste zona
de epuizare. În regiunea p, plecând golurile si
sosind electroni, acestia sunt captati de atomii
acceptori ionizându-i negativ si deci se formeaza
o sarcina spatiala negativa. Analog, în regiunea
n plecând electroni si sosind goluri, acestia
ionizeaza pozitiv atomii donori si deci apare o
sarcina spatiala pozitiva.
19
Prin urmare, de o parte si de alta apar doua zone
foarte înguste cu sarcini electrice de semne
contrare numita zona de trecere ( strat de baraj
sau jonctiune pn), iar câmpul electric, orientat
dinspre regiunea n spre regiunea p si numit câmp
de contact, împiedica trecerea în continuare a
purtatorilor de sarcina ( electroni si goluri).
20
Se creeaza astfel o stare de echilibru în care
transportul purtatorilor majoritari, electroni
si goluri, înceteaza. În planul jonctiunii apare
o bariera de potantial Ub. Purtatorii de sarcina
minoritari ( golurile din regiunea n si
electronii din regiunea p) sunt accelerati în
sens opus deplasarii purtatorilor majoritari. La
echilibru termic si în absenta polarizarii
curentul determinat de fluxul purtatorilor
majoritari, trebuie sa fie egal cu cel al
purtatorilor minoritari, adica
U
Ub
x
21
Dioda semiconductoare
Jonctiunea pn are calitati redresoare. Astfel
aplicând o tensiune continua cu - polaritate
directa (polul plus la regiunea p si polul minus
la regiunea n), prin jonctiune trece un curent
electric a carui intensitate creste cu cresterea
tensiunii aplicate, deoarece rezistenta electrica
este mica (Rj 10 O) - polaritate inversa,
practic nu trece curent deoarece are loc o
largire a stratului de baraj care capata o
rezistenta electrica foarte mare (Rj 104...105
O) în acest caz se spune ca dioda este blocata.
22
Caracteristicile diodei semicoductoare
Prin aplicarea câmpului exterior în sens direct
are loc o micsorare a duferentei de potential
(barierei) dintre cele doua regiuni, deoarece
câmpul extern are sens invers câmpului de baraj,
ceea ce înlesneste miscarea purtatorilor
majoritari. În felul acesta, la polarizare
directa curentul electric trece prin dioda.
U
Când dioda este polarizata invers, câmpul extern
aplicat având acelasi sens cu câmpul de baraj,
miscarea purtatorilor majoritari este
împiedicata. În acest caz, curentul ce strabate
dioda, format numai din purtatori minoritari,
este extrem de slab ( de ordinul mA la dioda cu
Si si de ordinul µA la cea cu Ge), asa încât îl
putem considera practic nul. Spunem ca la
polarizarea inversa dioda nu conduce curentul
electric.
Tensiune inversa
UbU
la echilibru
Ub
23
Dioda functioneaza ca o supapa ce permite
trecerea curentului electric într-un singur sens
(când este polarizata direct).
Schema si simbolul diodei
24
Caracteristica reala a unei diode cu
jonctiune. În figura se reprezinta caracteristica
I f(U) a unei diode. Ea pune în evidenta
urmatoarele a) Intensitatea curentului în sens
direct, dupa ce se depaseste tensionea de
deschidere UD, creste exponential si rezistenta
diodei devine foarte mica.
b) În sens contrar, pentru U lt 0, intensitatea
curentului care trece prin dioda este foarte
mica, cu multe ordine de marime mai mica decât în
sens direct. În majoritatea aplicatiilor practice
se considera egala cu zero. Daca tensiunea creste
peste o anumita valoare critica numita tensiune
de strapungere dioda (jonctiunea) se
strapunge si intensitatea curentului începe sa
creasca brusc. Fenomenul de strapungere este unul
negativ. În practica se urmareste crearea de
jonctiuni care sa reziste la tensiuni inverse cât
mai mari, mii de volti.
http//www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcirc
uits/diode.html
25
Caracteristica statica liniarizata aproximeaza
destul de bine, pentru curenti lent variabili,
caracteristica reala a diodei. Definim rezistenta
dinamica a diodei prin relatia
pentru portiunea înclinata, corespunzatoare
conductiei diodei. Acest raport reprezinta
tangenta unghiului de înclinare ? fata de
verticala a portiunii rectilinii înclinate Rdm
tg ?.
26
O dioda ideala ar functiona ca un întrerupator
care este închis pentru tensiuni u lt 0
(polarizare inversa) si deschis pentru tensiuni
pozitive u gt 0 (polarizare directa). Ea ar
prezenta la polarizare inversa o rezistenta
infinita, iar în conductie directa, o rezistenta
nula.
27
Caracteristica liniarizata ar corespunde
modelului electric echivalând cu o dioda ideala
înseriata cu o rezistenta, reprezentând
rezistenta dinamica a diodei si cu un generator
ideal de tensiune electromotoare egala cu
tensiunea de deschidere UD a diodei reale.
(a) Din compunerea celor trei caracteristici
individuale (b) rezulta caracteristica
liniarizata (c). Retinem ca UD si Rdm sunt
parametrii modelului. Modelul este descris
matematic de functia
(a)
i
(b)
(c)
28
Trasarea experimentala a caracteristicilor diodei
semiconductoare

• Materiale necesare
• dioda semiconductoare
• resistor (cel putin 10 O)
• sursa 0 12 V c.c.
• conductori de legatura
• voltmetru, ampermetru
• reostat.

http//www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diploma
rbeit/da/weTEiS/weteis/diode1.htm
29
Redresarea curentului alternativ
Prin redresarea curentului alternative se
întelege transformarea curentului alternativ de
joasa frecventa în curent pulsator, utilizând un
dispozitiv numit redresor. Pentru redresarea
curentului alternativ se poate folosi dioda cu
jonctiune.
În mod obisnuit un redresor cu dispozitiv
semiconductor este compus din elementul redresor
( dioda semiconductoare ),sursa de curent
alternativ (retea de alimentare cu energie
electrica sau transformator) si un filtru de
netezire..
Spre sarcina
Retea
Transformator

Filtru de netezire
Redresor
30
Redresor monoalternanta
Redresorul monoalternanta este cel mai simplu
redresor. Blocul redresor cotine un singur
element redresor, o dioda. Randamentul scazut
este unul dintre dezavantajele acestui redresor.
Un al doilea dezavantaj este încarcarea
nesimetrica a retelei, puterea fiind absorbita
doar în timpul unei singure semialternante.
Redresorul monoalternanta este însa destul
de folosit la puteri mici deoarece este cel mai
simpu si cel mai ieftin.
31
Redresarea ambelor alternante
Redresor dubla alternanta cu punct median
În cazul acestui tip de redresor transformatorul
este necesar si el trebuie sa aiba un secundar cu
doua înfasurari înseriate, care au acelasi numar
de spire, cu un punct median între ele, astfel ca
sa furnizeze blocului redresor compus din doua
diode doua tensiuni identice, u2. Ansamblul poate
fi privit si ca doua redresoare
monoalternanta legate la aceeasi sarcina, în
cazul acesta rezistenta RS.
32
În prima semiperioada cele doua diode sunt
polarizate astfel D1 direct, plusul tensiunii
transformatorului la anod, iar D2 invers. Schema
echivalenta este aceea din figura (b) (D1
scurtcircuit, D2 întrerupta) si tensiunea pe
sarcina este egala cu u2, adica o semialternanta
pozitiva.
În a doua semiperioada cele doua diode sunt
polarizate astfel D1 invers, minusul tensiunii
transformatorului la anod, iar D2 direct. Schema
echivalenta este aceea din figura (c) (D1
întrerupta, D2 scurtcircuit) si tensiunea pe
sarcina este egala cu minus u2 (negativa în acest
semiinterval), adica din nou o semialternanta
pozitiva. Se obtine în acest fel o redresare
dubla alternanta.
http//www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/
gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_transfo.html
33
Redresor dubla alternanta în punte
Redresorul dubla alternanta în punte are schema,
forma tensiunilor si schemele echivalente în
semiperioadele distincte de functionare
prezentate în figura. În cazul acestui tip de
redresor transformatorul poate lipsi.
Se obtine în acest fel o redresare dubla
alternanta la fel ca în cazul anterior. Avantajul
schemei, valoarea medie dubla fata de redresarea
monoalternanta si deci o eficacitate dubla a
redresarii dar si faptul ca este nevoie de o
singura sursa de alimentare.
34
Blocul redresor este format din 4 diode legate în
punte (formând un patrulater) într-o anumita
succesiune a terminalelor. La una din diagonalele
puntii se conecteaza sursa de tensiune
alternativa, sau secundarul transformatorului
daca acesta exista, iar la a doua diagonala se
conecteaza sarcina, R în cazul acesta.
35
În prima semiperioada sunt polarizate direct
diodele D2 si D3 si sunt polarizate invers
diodele D1 si D4. Schema echivalenta este aceea
din figura si tensiunea pe sarcina este egala cu
u2, adica o semialternanta pozitiva.
În a doua semiperioada sunt polarizate invers
diodele D2 si D3 sunt polarizate direct diodele
D1 si D4. Schema echivalenta este aceea din
figura si tensiunea pe sarcina este egala cu
minus u2 (negativa în acest semiinterval), adica
din nou o semialternanta pozitiva.
http//www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCur
rent.dcr
36
Bibliografie

• Manual pentru clasa a XI-a N. Gherbanovschi,
  M.Prodan,St. Levai Ed. Didactica si Pedagogic
  Bucuresti 1990
• Fizica Manual clasa aXII-a O. Rusu,L. Dinica,
  C-tin Traistaru, M. Nistor Ed. Corint Bucuresti
  2007
• http//mritsec.blogspot.com/2009/01/electronic-dev
  ice-animations.html
• http//www.ibiblio.org/kuphaldt/socratic/output/an
  imation_bridge_rectifier_nonideal_fast.gif
• http//www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diploma
  rbeit/da/weTEiS/weteis/diode1.htm
• http//www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcirc
  uits/diode.ht

37
Redresarea cu pynte
http//www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCur
rent.dcr
Redresarea cu 2 diode
http//www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/
gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_transfo.html
LED
http//www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/leds/b
asicoperation/
Caracteristica diodei
http//www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diploma
rbeit/da/weTEiS/weteis/diode1.htm
Dioda semiconductoare
http//www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcirc
uits/diode.html