Semiconductor

material ce are conductivitatea electrică între cea a unui conductor și cea a unui izolator
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.

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 număr mare de elemente și compuși au proprietăți semiconductoare, incluzând:

  • Elemente pure din Grupul XIV al tabelului periodic; cele mai importante fiind siliciul și germaniul. Siliciul și Germaniul sunt folosite efectiv, deoarece au 4 electroni de valență, astfel având proprietatea de a primi și ceda electroni în aceași măsură.
  • Compușii binari, în particular elemente dintre Grupul III și V, Grupurile II și VI, grupurile IV și VI și între elemente diferite din Grupul IV.
  • Compusi tetravalenți specifici, oxizi și aliaje.
  • Semiconductori organici, făcuți din compuși organici.

Cele mai cunoscute materiale semiconductoare sunt cristaline solide, dar și semiconductori lichizi și fără forme sunt de asemenea cunoscuți. Aceștia includ siliciul fără formă hidrogenat și amestecuri de arseniu, seleniu și telur într-o varietate de proporții. Acești compuși împart cu câteva materiale semiconductoare proprietăți intermediare ale conductivității și variația rapidă dintre conductivitate și temperatură, dar de asemenea ocazional rezistența negativă. Acestor materiale le lipsesc rigiditatea structurii cristaline convențională a semiconductorilor, precum siliciul. Ele sunt în general folosite în structuri subțiri, care nu au nevoie de materiale cu conductivitate electrică mare, fiind relativ insensibile la impurități și radiații.

Fizica și semiconductoriiModificare

Semiconductorii sunt definiți prin comportamentul lor electro-conductiv unic, undeva între cel al metalelor și al izolatorilor. Această diferență dintre aceste materiale poate fi înșeleasă prin stadiul cuantic al electronilor, fiecare conținând zero sau un electron (Principiul de excluziune). Aceste stări sunt asociate cu structura benzilor electronilor ale materialului. Conductivitatea electrică crește datorită prezenței electronilor în stare liberă, deși pentru ca transportul de electroni să aibă loc, materialul trebuie să fie parțial plin. Dacă starea este mereu ocupată cu un electron, atunci trecerea altor electroni este blocată in acea stare.

Un semiconductor pur nu este util, deoarece nu este nici bun conductor, nici bun izolator. Dar o calitate importantă a semiconductorilor (și unele izolatoare cunoscute ca semi-izolatoare) este aceea de a crește conductivitatea și controlul acesteia prin dopare cu impurități și prin aplicarea câmpurilor electrice.

Purtători de sarcinăModificare

Electronii umplu locurile de la baza benzii de conducere care poate fi înțeleasă ca adăugarea electronilor pe acea bandă. Electronii nu sunt statici (datorita recombinației termice naturale), aceștia mișcându-se constant. Concentrația obișnuită de electroni este foarte scăzută, și (spre deosebire de metale) este posibil să ne gândim la electronii dintr-o bandă de conducție a unui semiconductor ca la un fel de „gaz ideal”, unde electronii zboară în jur liberi fără a se supune Principiului Pauli. În majoritatea semiconductorilor, benzile de conducție au o relație de dispersie parabolică și astfel electronii răspund forțelor (câmpurilor electrice, magnetice etc.) la fel cum ar face în 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