Deschide meniul principal
Siliciul monocristalin este materialul semiconductor cel mai utilizat în industria de astăzi.

Semiconductorul este un material a cărui rezistivitate este cuprinsă între cea a conductoarelor și izolatoarelor. Un câmp electric poate schimba rezistivitatea semiconductorilor. Dispozitivele fabricate din materiale semiconductoare sunt baza electronicii moderne, fiind părți componente în radiouri, computere, telefoane și multe altele. Dispozitivele semiconductoare sunt: tranzistorul, celulele solare, mai multe tipuri de diode, inclusiv dioda luminiscentă și circuit integrat. Celulele fotovoltaice sunt dispozitive semiconductoare care transformă energia luminii în energie electrică. Într-un conductor metalic, curentul este reprezentat de fluxul de electroni. Într-un semiconductor curentul este reprezentat fie de fluxul de electroni fie de fluxul de "goluri" din structura electronică a materialului.

Cuprins

CaracteristiciModificare

Un semiconductor este un material care are conductivitatea electrică cuprinsă între conductivitatea unui metal (ex. cupru) și a unui izolator (ex. sticlă). Semiconductorii sunt fundamentul electronicii moderne. Există în două tipuri materialele semiconductoare – elemente și compuși. Aranjamentul unic al atomilor din Siliciu și Germaniu fac ca aceste două elemente să fie cele mai folosite în prepararea materialelor semiconductoare. Noile descoperiri legate de semiconductori au făcut posibilă creșterea complexității și vitezei microprocesoarelor și dispozitivelor de memorie.

Conductivitatea electrică a unui material semiconductor crește odată cu creșterea temperaturii, comportamentul opus față de metale. Dispozitivele semiconductoare pot avea multe proprietăți folositoare, precum trecerea curentului mai ușor într-o direcție decât în cealaltă, având rezistente variabile, sensibilitate la lumină sau căldură. Din cauza că proprietățile electrice ale unui material semiconductor se modifică din cauza impurităților, câmpurilor electrice sau luminii, dispozitivele făcute din materialele semiconductoare pot fi folosite pentru amplificarea, transformarea sau conservarea energiei.

Conductivitatea curentului într-un semiconductor are loc prin mișcarea electronilor liberi (-) și a „golurilor” (+), aceștia fiind cunoscuți ca și conductori de sarcină. Adăugând atomi impuri într-un material semiconductor (procedeu numit dopare), numărul de conductori de sarcină dintr-un semiconductor poate crește substanțial. Când un semiconductor are majoritar goluri, acesta este numit semiconductor de tip p , iar când un semiconductor are majoritar electroni liberi, acesta este numit semiconductor de tip n . Un singur semiconductor poate avea mai multe regiuni de tip p și de tip n ; spațiul dintre aceste regiuni sunt responsabile de comportamentul electric.

Unele proprietăți ale materialelor semiconductoare au fost observate încă de la jumatatea secolului al XIX-lea până în prima decadă a secolului al XX-lea. Dezvoltarea fizicii cuantice a permis dezvoltarea tranzistorilor în 1947. Deși unele elemente pure și mulți compuși au proprietăți semiconductoare, siliciul, germaniul și compuși ai galiului sunt cele mai folosite în dispozitivele electrice. Elementele aproape de „scara metalelor” în sistemul periodic al elementelor sunt de obicei folosite în semiconductori.

Denumirea din partea sudică din nordul Californiei este numită „Silicon Valley” (Valea Siliciului) din cauza influențelor companiilor tehnologice care au sediul principal acolo. O parte integrală din dispozitivele tehnologice de astăzi este făcută din semiconductori, în principal din siliciu. Unele dintre cele mai mari firme ce activează în domeniul semiconductoarelor sunt: Marvell Technology Group, National Semiconductor și Advanced Micro Devices (AMD).

ProprietățiModificare

Conductivitate variabilăModificare

Semiconductorii în starea naturală sunt conductori slabi deoarece un curent este necesar mișcării electronilor și semiconductorii au octetul satisfăcut. Există diferite moduri prin care semiconductorii se pot comporta ca și materialele conductoare (ex. doparea). Aceste modificări au două finalități: crearea semiconductorilor de tip n și p . Acestea se referă la exces sau insuficiență de electroni. Un număr neechilibrat de electroni poate cauza conducerea electronilor prin material.

HeterojuncțiaModificare

Heterojuncția are loc când două tipuri de dopare a unui semiconductor are loc în același material. Spre exemplu, o configurație care constă în Germaniu de tip n și Germaniu de tip p . Din aceasta rezultă interschimbarea golurilor cu electronii liberi. Transferul are loc până la atingerea echilibrului printr-un proces numit recombinare , care face ca electronii din tipul n să intre în contact cu golurile din tipul p . Un produs al acestui proces sunt ioni cu sarcină din care rezultă curent electric.

Electronii excitațiModificare

O diferență în potențialul electric al unui material semiconductor poate distruge echilibrul termic și poate crea o situație de dezechilibru. Aceasta introduce electroni și goluri în sistem, care interacționează printr-un proces numit difuzie ambipolară . Când un echilibru termic este deranjat într-un semiconductor, numărul de goluri și electroni se schimbă. Această distrugere poate avea loc ca un rezultat al diferenței de temperatură sau fotoni, care pot intra în sistem și să creeze electroni liberi și goluri. Procesul care creează și anihilează electronii și golurile sunt numite generație si recombinație.

Emisia de luminăModificare

În anumiți semiconductori, electronii excitați se pot relaxa prin emiterea de lumină, în loc de producerea căldurii. Acești semiconductori sunt folosiți în fabricarea LED-urilor (diodelor emițătoare de lumină) și punctelor cuantice fluorescente.

Conversia energiei terminceModificare

Semiconductorii au factori termo-electrici care îi fac folositori în generatoarele termo-electrice și de asemenea în răcitoare termo-electrice.

MaterialeModificare

Un numar mare de elemente si compusi au proprietati semiconductoare, incluzand:

  • Elemente pure din Grupul XIV al tabelului periodic; cele mai importante fiind siliciul si germaniul. Siliciul si Germaniul sunt folosite efectiv, deoarece au 4

electroni de valenta, astfel avand proprietatea de a primii si ceda electroni in aceasi masura.

  • Compusii binari, in particular elemente dintre Grupul III si V, Grupurile II si VI, grupurile IV si VI si intre elemente diferite din Grupul IV.
  • Compusi tetravalenti specifici, oxizi si aliaje.
  • Semiconductori organici, facuti din compusi organici.

Cele mai cunoscute materiale semiconductoare sunt cristaline solide, dar si semiconductori lichizi si fara forme sunt de asemenea cunoscuti. Acestiainclude siliciul fara forma hidrogenat si amestecuri de arseniu, seleniu si telur intr-o varietate de proportii. Acesti compusi impart cu cateva materiale semiconductoare proprietati intermediare ale conductivitatii si variatia rapida dintre conductivitate si temperatura, dar de asemenea ocazional rezistenta negativa. Acestor materiale le lipsesc rigiditatea structurii cristaline conventionala a semiconductorilor, precum siliciul. Ele sunt in general folosite in structuri subtiri, care nu au nevoie de materiale cu conductivitate electrica mare, fiind relativ insensibile la impuritati si radiatii.

Fizica și semiconductoriiModificare

Semiconductorii sunt definiti prin comportamentul lor electro-conductiv unic, undeva intre cel al metalelor si al izolatorilor. Aceasta diferenta intre aceste materiale poate fi inteleasa prin stadiul cuantic al electronilor, fiecare continand zero sau un electron (Principiul Pauli). Aceste stari sunt asociate cu structura benzilor electronilor ale materialului. Conductivitatea electrica creste datorita prezentei electronilor in stare libera, desi pentru ca transportul de electroni sa aiba loc, materialul trebuie sa fie partial plin. Daca starea este mereu ocupata cu un electron, atunci trecerea altor electroni este blocata in acea stare.

Un semiconductor pur nu este util, deoarece nu este nici bun conductor, nici bun izolator. Dar o calitate importanta a semiconductorilor (si unele izolatoare cunoscute ca semi-izolatoare) este acea de a creste conductivitatea si controlul acesteia prin dopare cu impuritati si prin aplicarea campurilor electrice.

Purtători de sarcinăModificare

Electronii umplu locurile de la baza benzii de conducere care poate fi inteleasa ca adaugarea electronilor pe acea banda. Electronii nu sunt statici (datorita recombinatiei termice naturale), acestia miscandu-se constant. Concentratia obisnuita de electroni este foarte scazuta, si (spre deosebire de metale) este posibil sa ne gandim la electronii dintr-o banda de conductie a unui semiconductor ca la un fel de “gaz ideal”, unde electronii zboara in jur liberi fara a se supune Principiului Pauli. In majoritatea semiconductorilor, benzile de conductie au o relatie de dispersie parabolica si astfel electronii raspund fortelor (campurilor electrice, magnetice etc.) la fel cum ar face in vid, cu mase efective diferite.

Vezi șiModificare

BibliografieModificare

M. Petrescu (coord) Tratat de știința și ingineria materialelor metalice vol 3 Metale. Aliaje. Materiale speciale. Materiale compozite, Editura Agir, București, 2009