SEMICONDUCTORI EXTRINSECI

SEMICONDUCTORI EXTRINSECI

Daca se adauga impuritati unui semiconductor, acestea pot determina apa­ritia unor niveluri de energie suplimentare, numite niveluri aditionale in banda interzisa a semiconductorului.Ca exemplu, presupunem ca intr-un cristal pur de Ge (sau Si), care este un element tetravalent, se adauga atomi trivalenti (de bor ) In acest caz, electro­nul de valenta al unui atom de Ge vecin cu cel de B ramane neparticipant la legaturile chimice din cristal, deoarece atomul de B are numai 3 electroni de valenta (figura 2.2a).

Legatura chimica reprezentata prin linie intrerupta in figura 2.2a este nesatisfa­cuta si pentru a o satisface, un electron al unei legaturi vecine se des­prinde, la un mo­ment dat, datorita agitatiei termice din aceasta legatura si trece in invelisul electro­nic al B-ului, ionizandu-l (sageata ); electronul amintit efectueaza o tranzitie din banda de valenta a cristalului de Ge pe un nivel energetic notat cu a in figura 2.3 si de energie w_p. Nivelul p, numit nivel acceptor este neocupat, in stare normala (fun­damentala), de electroni si este situat deasupra benzii de valenta, tranzitia efec­tu­an­du‑se, deci, in ur­ma absorbirii, de catre electron, a unei cantitati de energie de agitatie termica. Intere­seaza cazul acelor impuritati trivalente care formeaza niveluri accep­toa­re imediat dea­supra benzii de valenta, pentru ca tranzitiile sa se efectueze si la temperaturile uzuale.Pentru Ge si Si sunt, astfel folosite in special elementele tri­va­len­te: Bor, Al, Galiu, Indiu. Sageata 1 din figura 2.3 indica tranzitia unui electron din banda de va­lenta pe un nivel acceptor. Tranzitiei ii corespunde tranzitia unui gol (cu sar­ci­na electrica +q_o) de pe nivelul acceptor in banda de valenta.

Figura 2.2 Reteaua cristalina a Ge dopat (impuritati: a - acceptoare, b - donoare)

Electronul promovat pe nivelul p este insa captat de acesta, deoarece nivelul ac­ceptor e strict localizat in jurul atomului de impuritate si, din aceasta cauza nu poa­te participa la conductia electrica. In schimb, golurile produse in banda de va­lenta pot stabilii curenti electrici in cristal (de fapt acestia sunt stabiliti de electronii din banda de valenta ramasa, datorita tranzitilor, incomplete).Se spune ca se efectu­ea­za o con­duc­tie prin goluri, iar semiconductorii care o prezinta se numesc semicon­duc­tori de tip "p " (de la numele "pozitiva" a sarcinii golului).

Figura.2.3 Tranzitia electronilor si a golurilor din zona de valenta

Daca Ge sau Si se dopeaza cu un element pentavalent (Fosfor, Arsen, Stibiu), unul dintre electronii de valenta ai acestuia, situat pe un nivel notat cu d de energie w_n (figura 2.3), nu participa la legaturile chimice si prin absorbtie de energie de agi­ta­tie termica, poate trece in banda de conductie a Ge (Si) adica poate devenii elec­tron liber (cvasiliber) a corpului. Nivelurile n, numite niveluri donoare, sunt ocupate in stare normala, de electroni. Prezinta importanta in tehnica impuritatile pentava­len­te care produc niveluri donoare apropiate de banda de conductie pentru ca tranzitia w_d w_c sa se efectueze si la temperatura camerei.Conductia electrica se efectueaza in acest caz prin electronii promovati in banda de conductie de pe nive­lurile donoare, iar semiconductorii respectivi se numesc semiconductori de tip "n" (de la numele "nega­tiva" al sarcinii electronului). In tabelul 2.5 sunt indicate valo­rile w_e=w_c-w_d pentru principalele impuritati donoare din Ge si Si.

Tabelul 2.5. Latimea zonei interzise

Spre deosebire de metale, in cazul temperaturilor uzuale, rezistivitatea semi­conductoarelor scade pe masura ce temperatura creste (figura 2.4). Pe baza acestei proprietati se realizeaza termistoarele, termoelementele, straturile term­o­emisive etc.

Cresterea gradului de impurificare voita (dopare) sau accidentala (impuritati necontrolate) determina o crestere a conductivitatii semiconductoarelor.Astfel, la temperatura normala, Ge pur are rezistivitatea de 0.47Ωm, dar impurificat cu atomi de Sb in raportul 1 : prezinta o rezistivitate de numai 0.04 Ωm.Daca insa concen­tratia impuritatilor depaseste o anumita valoare mobilitatea purtatorilor de sarcina si deci conductivitatea semiconductorilor prezinta o tendinta de sca­dere­.

Figura 2.4. Influenta impuritatilor asupra conductivitatii si rezistivitatii.

Doparea semiconductoarelor se realizeaza, practic, prin metoda tragerii sau a topirii zonare.

Figura 2.5. Dependenta conductivitatii de temperatura prin efect intrinsec si extrinsec.

Desi pentru cei mai multi semiconductori dependenta directa de temperatura a con­ductivitatii este valabila pentru intreg domeniul de temperaturi in care sunt utiliza­ti tehnic, pentru unii semiconductori pana la temperatura T₁ predomina efectul de cres­tere a concentratiei purtatorilor (efect intrinsec) iar peste aceasta temperatura pre­domina efectul de franare prin agitatie terminca. Alti semiconductori la temperaturi sub valoarea T₂ cresterea conductivitatii este lenta datorita agitatiei termice iar apoi cresterea este rapida prin efect intrinsec. Rezulta ca trebuiesc respectate riguros limitele de temperatura prescrise pentru asigurarea unei exploatari optime si cu durata de viata maxima a semiconductorului.

Cantitatea de impuritatii necesara m pentru obtinerea -prin metoda tragerii- a unui semiconductor cu o anumita rezistivitate si o concentratie uniforma se determina cu relatia:

unde M reprezinta masa semiconductorului care se impurifica (Kg), d -densitatea sa (Kg/m³); A -concentratia masica a atomilor de impuritate (Kg^-1); N -concen­tratia volumica a impuritatilor din prima portiune a cristalului semiconductor (m^-3); k -un coeficient de repartitie a impuritatii utilizate.Gradul de impurificare al unui semi­con­ductor (concentratia impuritatilor) se poate determina prin masurarea rezistivitatii sale, iar in cazul unei dopari neuniforme prin masurarea variatiei rezis­tivitatii in lun­gul cristalului.In functie de natura si continutul impuritatilor se realizeaza o mare va­rietate de dispozitive semiconductoare : diode, tranzistoare, etc.

Cu cresterea intensitatii campului electric, creste probabilitatea de tranzitie a electronilor de pe nivelurile donoare (sau din banda de valenta) in banda de con­duc­tie.In felul acesta, creste concentratia purtatorilor de sarcina din banda de conductie si deci conductivitatea corpului.Anumite cristale (sulfuri de zinc) pre­zinta, sub actiu­nea campului electric, fenomenul de luminescenta.In cazul exis­tentei unei jonctiuni lar­gi­rea stratului de blocare si deci rezistenta electrica a acestuia depind atat de inten­si­tatea campului electric cat si de sensul campului electric stabilit prin corp. Aceasta proprietate este utilizata indeosebi la fabricarea diodelor redresoare, tranzistoarelor, fotoelementelor etc.

Actiunea campurilor magnetice exterioare asupra materialelor semiconductoare se manifesta prin fenomenul de magnetizare, efectul Hall si efectul magnetostrictiv.

Efectul magnetostrictiv direct consta in modificarea dimensiuniilor unui corp sub actiunea unui camp magnetic.Semiconductoarele se utilizeaza ca mate­riale mag­netostrictive datorita valorilor mari ale rezistivitatii lor.

Efectul Hall consta in aparitia unei tensiuni electrice Un intre fetele laterale ale unei placi semiconductoare de grosime d parcursa de curentul I si situata in­tr-un camp magnetic de inductie B, perpendicular pe ea:

U_H = R_HBI/d (2.17)

Marimea R_H, numita constanta Hall, variaza mult mai putin decat in cazul me­ta­lelor, motiv pentru care semiconductoarele se utilizeaza la fabricarea generatoarelor Hall cu aplicatii in masurarea campului magnetic, a intensitatii cam­pu­lui electric, a puterii, in amplificare, in telecomenzi etc.

Actiunea luminii sau a altor radiatii se manifesta asupra semiconductoarelor prin efectele fotoelectrice :fotoconductiv, fotovoltaic si de luminescenta. In cazul efectului fotoelectric, energia radiatiei este utilizata pentru smulgerea electronilor din materiale, adica pentru obtinerea fotocatozilor. Efectul fotoconductiv, adica ma­rirea conductivitatii materialului sub actiunea radiatiilor luminoase sta la baza reali­za­rii celulelor fotoconductive sau fotorezistente.Efectul fotovoltaic consta in aparitia, sub actiunea radiatiilor, a unei tensiuni electromotoare la jonctiunea p-n dintre doua semiconductoare (tensiune datorata purtatorilor de sarcina eliberati prin iradiere care traverseaza jonctiunea si se acumuleaza in cei doi semi­conductori electroni in n si go­luri in p).Sta la baza realizarii celulelor fotovoltaice.Efectul de luminiscenta se uti­li­zeaza indeosebi pentru construirea dispozitivelor sensibile la radiatii ultraviolete sau Roentgen.

Sub actiunea solicitarilor mecanice se distruge reteaua cristalina si deci se mo­di­fica rezistivitatea corpului.Acest fenomen este utilizat in realizarea traduc­toarelor mecano-electrice : microfoane cu carbune, accelerometre etc.

De asemenea, se produce un fenomen magnetostrictiv invers :prin modi­fica­rea dimensiunilor semiconductorului se produce o variatie a campului magnetic in care se afla acesta.Efectul piezoelectric - insotit de aparitia unor sarcini elec­trice pozitive si negative pe fetele opuse ale unei placi semiconductoare supuse, unor so­li­citari mecanice - este utilizat in fabricarea traductoarelor de presiune, a fortelor, ac­ce­leratilor, a generatoarelor de ultrasunete etc. Este prezent doar in cazul semicon­duc­torilor piezoelectri.

Germaniul este un element putin raspandit in scoarta pamantului (0.07%), minereurile cu continutul cel mai bogat in Ge fiind renierita (sulfura de Cu, Fe, As si Ge), germanitul () si argiroditul ().Face parte din grupa a-IV-a sistemului periodic al elementelor si cristalizeaza in sistemul cubic cu fete centrate. Se oxideaza la C, nu reactioneaza cu apa si se dizolva in acid sulfuric, in amestecuri de acizi, baze etc.Reactioneaza cu halogenii, formand compusi de tipul , etc.Cu metale alcaline sau alcalino-pamantoase se formeaza com­pusi semiconductori.

Proprietatile semiconductoarelor depind de starea de puritate a cristalului, de tempertura.etc.

Fazele tehnologice de obtinere a germaniului sunt :

-Extragerea oxidului de germaniu brut.

-Purificarea chimica a oxidului brut.

-Reducerea bioxidului de germaniu

Spre deosebire de germaniu, siliciul este unul dintre cele mai raspandite ele­men­te din natura. Se gaseste in scoarta pamantului in procent de 27% sub forma de bioxid de siliciu sau silicati.

Siliciul tehnic, cu o puritate de 98%, se obtine relativ usor prin reducerea bio­xidului de siliciu cu cocs in cuptorul electric.

Purificarea ulterioara a siliciului prezinta dificultati determiate de: tempera­tu­ri­le inalte ce intervin in procesele de prelucrare, reactivitatea chimica ridicata a siliciu­lui in stare topita, ineficacitatea procesului de purificare zonara pentru elimi­narea unor impuritati (ca: bor, fosfor si arsen).

Tabelul 2.6. Caracteristicile principale ale germaniului si siliciului

Purificarea inaintata a siliciului se efectueaza aproape exclusiv pe cale chi­mica. Principalele procedee de purificare se bazeaza pe distilarea inaintata si redu­cerea sau descompunerea termica a unor compusi ai siliciului.

Pentru obtinerea siliciului cu o rezistivitate de ordinul sutelor de Ωcm se uti­li­zea­za reducerea tetraclorurii de siliciu, iar pentru obtinerea siliciului cu o rezis­tivitate mai mare de 1000 Ωcm se foloseste reducerea triclorsilanului

Deoarece pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare este necesara o puritate foarte ridicata a materialului semiconducor, iar pe cale chimica aceasta puri­tate nu poate fi atinsa practic, se recurge la purificarea pe cale fizica (dupa puri­ficarea pe cale chimica concentratia de impuritati in materialele semi­conductoare nu poate fi redusa la mai putin de 10¹³ atomi/cm³).

Purificarea pe cale fizica a germanului se face prin eliminarea directa a impu­­ritatilor si prin topirea zonala, iar purificarea fizica a siliciului se realizeaza prin metoda topirii zonale.