Semiconductor

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Siliciul policristalin , elementul de bază pentru fabricarea semiconductoarelor

Semiconductorii , în știința și tehnologia materialelor , sunt materiale aparținând categoriei semimetalelor , care pot presupune o rezistivitate mai mare decât cea a conductoarelor și mai mică decât cea a izolatorilor ; rezistivitatea este direct dependentă de temperatură .

Ele stau la baza tuturor dispozitivelor electronice și microelectronice majore în stare solidă, cum ar fi tranzistoarele , diodele și diodele cu emisie de lumină (LED-uri). Fizica semiconductorilor este ramura fizicii în stare solidă care studiază proprietățile electrice ale semiconductoarelor. În Italia a fost fondată în anii șaizeci de Pietrino Manca , Franco Bassani și alții.

Proprietățile acestor materiale devin interesante dacă sunt dopate corespunzător cu impurități. Caracteristicile lor precum rezistența, mobilitatea, concentrația purtătorilor de sarcină sunt importante pentru a determina domeniul de utilizare. Răspunsul unui semiconductor la forțare depinde de caracteristicile sale intrinseci și de unele variabile externe, cum ar fi temperatura .

Descriere

Bazele fizicii semiconductorilor

În fizica stării solide , semiconductorii (și izolatorii) sunt definiți ca solide în care la 0 K (și fără excitații externe) cea mai mare bandă de energie a stărilor de energie electronică ocupată este complet plină. Din fizica stării solide este bine cunoscut faptul că conducerea electrică în solide are loc numai atunci când există o bandă complet incompletă de stări electronice, deci conducerea în semiconductori puri apare numai atunci când electronii au fost excitați (termic, optic etc.) și aduși în benzi de energie mai mare.

La temperatura camerei, o porțiune (în general foarte mică, dar nu neglijabilă) de electroni dintr-un semiconductor a fost excitată termic și adusă de la „ banda de valență ”, banda completă de 0 K, la „ banda de conducție ”, cea mai apropiată bandă superioară . Ușurința cu care electronii pot fi transportați de la banda de valență la banda de conducție depinde de decalajul de energie dintre benzi și magnitudinea acestui decalaj de energie servește ca parametru pentru împărțirea semiconductoarelor de izolatori . Semiconductorii au în general goluri de energie de aproximativ 1 electron-volt , în timp ce izolatorii au goluri de energie de multe ori mai mari. În acest sens, temperatura joacă un rol foarte important, deoarece pe măsură ce crește, există o creștere a agitației termice a atomilor și, prin urmare, a electronii de valență, care sunt, prin urmare, capabili să treacă mai bine pragul decalajului de energie .

Când electronii sunt transportați de la banda de valență la banda de conducție într-un semiconductor, ambele benzi contribuie la conducere, deoarece conducerea poate apărea în orice bandă de energie incomplet umplută. Electronii din banda de conducție sunt numiți „electroni liberi”, deși sunt adesea numiți pur și simplu „electroni” dacă contextul permite oricum să fie clar. Stările de energie liberă din banda de valență sunt numite „ goluri ” (sau „găuri”). Deși nu sunt de fapt entități fizice reale (mai degrabă sunt absența electronilor în anumite stări de energie), se poate demonstra că se comportă foarte asemănător cu cel al particulelor încărcate pozitiv și sunt tratate de obicei ca și cum ar fi particule încărcate real. Pentru comparație, golurile sunt bule de gaz într-un lichid, cum ar fi apa minerală. În loc să analizăm mișcarea întregii mase de apă, este mai ușor să urmărim mișcarea bulelor de gaz.

Nivelurile de energie din solide

Principala caracteristică a solidelor este distribuirea nivelurilor de energie posibile în benzi de energie separate prin intervale interzise (numite benzi interzise sau band gap din engleză).

La conductori, de obicei, ultima bandă (numită bandă de conducție ) nu este complet umplută și, prin urmare, există niveluri neocupate de energie adiacente celor ocupate. Electronii pot accesa aceste niveluri goale primind energie dintr-un câmp electric extern; aceasta implică o densitate de curent concordantă cu câmpul. Electronii benzilor inferioare, care sunt plini, nu capătă energie și nu afectează procesul de conducere. Ultima bandă completă se numește banda de valență .

Această configurație nu este singura care permite să aibă proprietăți de conducere. Se poate întâmpla ca ultima bandă complet completă să se suprapună cu următoarea bandă goală. Acest tip de structură de bandă se găsește, de exemplu, în magneziu și explică de ce are o conductivitate electrică bună, în ciuda faptului că are o bandă de conducere goală, precum izolatorii. În magneziu banda de conducere (formată din orbitalii 3p) este goală, dar nu există o bandă interzisă cu banda de valență completă (din orbitalii 3s) deoarece aceasta „crește” pentru a acoperi o parte a benzii 3p.

Solidele refractare nu sunt conductoare în care ultima bandă care conține electroni este complet plină și nu se suprapune peste banda următoare. Aceasta este configurația care caracterizează izolatorii și semiconductorii. Lățimea zonei interzise este definită ca bandă interzisă , sau energie gap , sau cu expresia engleză band gap . Când două sau mai multe materiale semiconductoare sunt aduse în contact, se obține o tendință spațială a decalajului de bandă necesară în aplicații tehnologice, cum ar fi tranzistoarele și multe altele. Procedura și controlul tendinței spațiale a band-gap-ului este denumită inginerie band-gap , care poate fi redată în italiană cu „ingineria benzii interzise”.

Cu acest parametru este posibil să se definească semiconductorii ca acele solide a căror distanță de bandă este suficient de mică pentru a se asigura că la o temperatură sub punctul de topire se poate observa statistic o conducție deloc neglijabilă (în orice caz mai mică decât cea a conductorilor, dar mai mare decât cea a conductoarelor). a izolatorilor) datorită trecerii purtătorilor de sarcină de la banda de valență (plină) la banda de conducție datorită excitației termice.

Calculul curentului în semiconductori

Curentul din semiconductori se poate datora atât acțiunii unui câmp electric extern, cât și prezenței unui gradient de concentrație al purtătorilor de sarcină. Primul tip de curent este cunoscut sub numele de curent de derivație (cunoscut și sub denumirea de curent de derivație sau de derivație) care, în cazul semiconductoarelor, este exprimat în funcție de mobilitatea purtătorilor de sarcină, al doilea urmează legile lui Fick și, în cazul particular, unul- dimensional este egal pentru găuri și respectiv electroni cu:

unde q este taxa transportatorilor, sunt constantele de difuzie ale purtătorilor, n și p densitatea electronilor și a găurilor.

Curentul total într-un semiconductor va fi apoi suma acestor doi curenți și este descris de ecuația Boltzmann , separând curentul de gaură și de electron:

unde este sunt mobilitățile transportatorilor de taxe.

Coeficienții ele sunt legate între ele prin așa-numitele relații Einstein :

unde este este constanta lui Boltzmann și T este temperatura absolută în kelvini .

Puritatea și perfecțiunea materialelor semiconductoare

Semiconductorii cu proprietăți electronice previzibile și fiabile sunt greu de produs în masă datorită purității chimice necesare și perfecțiunii structurii cristaline, care sunt necesare pentru fabricarea dispozitivelor. Prezența impurităților, chiar și în concentrații foarte scăzute, poate provoca efecte mari asupra proprietăților materialului; pentru aceasta, nivelul necesar de puritate chimică este foarte ridicat. Tehnicile pentru realizarea acestei purități includ rafinarea zonei , în care o parte a cristalului solid este topită. Impuritățile tind să se concentreze în regiunea topită, făcând materialul solid mai pur. De asemenea, este necesar un grad ridicat de perfecțiune a rețelei cristaline, deoarece defectele structurii cristaline, cum ar fi luxațiile, locurile libere de rețea și erorile de ambalare, creează niveluri de energie în intervalul de bandă, interferând cu proprietățile electronice ale materialului. Defecte ca acestea sunt una dintre principalele cauze care duc la un dispozitiv inutilizabil în timpul procesului de fabricație. Cu cât cristalul este mai mare, cu atât este mai dificil să obții puritatea și perfecțiunea necesare; procesele de producție în masă utilizează cristale cu un diametru de opt inci (aproximativ 20 de centimetri) care sunt crescute într-o formă cilindrică ( procesul Czochralski ) și apoi „tăiate” în felii numite napolitane .

Medicament

Un motiv major pentru care semiconductorii sunt utili în electronică este acela că proprietățile lor electronice pot fi puternic modificate într-un mod foarte controlat prin adăugarea unor cantități mici de impurități, numite dopanți, care sunt clasificate în două tipuri: cele care furnizează un exces de electroni conducerii și cele care oferă un exces de goluri benzii de valență. Un semiconductor cu un exces de electroni se numește semiconductor de tip n, în timp ce un semiconductor cu un exces de găuri se numește semiconductor de tip p.

Cei mai comuni dopanți de tip n pentru siliciu sunt fosforul și arsenicul . Rețineți că ambele elemente se află în grupa V_A a tabelului periodic , iar siliciu se află în grupa IV_A. Când siliciul este dopat cu atomi de arsen sau fosfor, atomii acestor dopanți înlocuiesc atomii de siliciu din rețeaua cristalină semiconductoare, dar deoarece au un electron extern suplimentar decât siliciul, tind să furnizeze acest electron benzii de conducere. Dopantul de tip p de departe cel mai utilizat pentru siliciu este elementul din borul Grupului III_A, care are un electron extern mai puțin decât siliciul și, astfel, tinde să ia un electron din banda de valență și, prin urmare, să creeze o gaură.

Un dopaj puternic al semiconductorului poate crește conductivitatea acestuia cu un factor de peste un miliard. În circuitele integrate moderne, de exemplu, siliciul policristalin puternic dopat este adesea utilizat în locul metalelor .

Medicament de tip n

Scopul dopajului de tip n este de a produce un exces de electroni liberi în material. Pentru a înțelege cum se efectuează dopajul de tip n, să luăm în considerare cazul siliciului (Si). Atomii de Si au patru electroni de valență, fiecare dintre aceștia fiind legat covalent de unul dintre cei patru atomi de Si adiacenți. Dacă un atom cu cinci electroni de valență, cum ar fi unul din grupa 5 a tabelului periodic (de exemplu, fosfor (P), arsenic (Ca ), sau antimoniul (Sb)), este încorporat în rețeaua cristalină în locul unui atom de Si, atunci acel atom va avea patru legături covalente și un electron liber. Acest electron suplimentar este legat doar vag de atom și poate fi ușor introdus în banda de conducere. Deja la temperaturi normale practic toți acești electroni se află în banda de conducție. Deoarece excitația acestor electroni nu creează găuri în banda de valență, numărul de electroni din aceste materiale este mai mare decât cel al găurilor. În acest caz, electronii sunt purtătorii de sarcină majoritari, iar găurile sunt purtătorii de sarcină minoritari . Deoarece atomii cu cinci electroni externi au un electron pentru a „dona”, acești atomi sunt denumiți atomi „donatori” sau „donatori”.

Medicament de tip P

Scopul dopajului de tip p este de a produce goluri în exces în material. În cazul siliciului, un atom trivalent, cum ar fi borul, înlocuiește un atom de Si în rețeaua cristalină. Rezultatul este că lipsește un electron de siliciu dintr-una dintre cele patru legături covalente posibile. În acest fel, atomul dopant (borul) poate accepta un electron din banda de valență pentru a completa a patra legătură: aceasta generează formarea unei găuri. Acești dopanți sunt numiți „acceptori”. Când se adaugă un număr suficient de mare de acceptori, găurile devin mult mai numeroase decât electronii liberi. Astfel, găurile sunt purtătorii de sarcină majoritari , în timp ce electronii sunt purtătorii de sarcină minoritari în materialele de tip p. Diamantele albastre (tip IIb), care conțin impurități de bor , sunt un exemplu de semiconductor dopat natural p.

Articulații PN

O joncțiune pn poate fi creată prin doparea regiunilor învecinate ale unui semiconductor cu dopanți de tip p și n. Dacă se aplică o tensiune electrică pozitivă pe partea de tip p, purtătorii de sarcină pozitivă, golurile, majoritatea în această regiune sunt împinse spre joncțiune. În mod similar, purtătorii de încărcare majoritari de pe partea n, electronii, sunt atrași de tensiunea pozitivă și, prin urmare, sunt atrași de joncțiune. Deoarece există o abundență de purtători de încărcare la joncțiune, curentul poate circula prin joncțiune, sub acțiunea unei surse, cum ar fi o baterie. Dacă, pe de altă parte, polarizarea tensiunii este inversată, găurile și electronii sunt îndepărtați de joncțiune, lăsând o regiune de siliciu aproape neconductoare care nu permite curgerea curentului. Joncțiunea pn este baza dispozitivului electronic numit diodă , care permite curentului să circule doar într-o singură direcție a dispozitivului.

Două joncțiuni pn foarte apropiate una de alta formează dispozitivul de tranzistor bipolar cu trei terminale (care pot fi fie pnp, fie npn).

Tipuri de semiconductori

Semiconductori intrinseci și extrinseci

Un semiconductor intrinsec este un semiconductor suficient de pur încât impuritățile nu afectează în mod semnificativ comportamentul său electric. În acest caz, toți purtătorii de sarcină se datorează excitației termice sau optice a electronilor, care trec de la banda de valență completă la banda de conducție, goale. Astfel, există același număr de electroni și găuri într-un semiconductor intrinsec. Electronii și găurile, atunci când sunt supuși unui câmp electric, se deplasează în direcții opuse, dar contribuie la curent cu același semn, având sarcină electrică opusă. Cu toate acestea, curentul datorat găurilor și cel datorat electronilor nu este neapărat același într-un semiconductor intrinsec, deoarece electronii și găurile au o mobilitate electrică diferită.

Concentrația purtătorilor de încărcare este foarte dependentă de temperatură. La temperaturi scăzute, banda de valență este complet plină, făcând materialul un izolator (a se vedea conducta electrică pentru detalii suplimentare). Creșterea temperaturii duce la o creștere a numărului de purtători de încărcare și la o creștere corespunzătoare a conductivității. Acest principiu este utilizat în termistori . Acest comportament contrastează puternic cu cel al majorității metalelor, care tind să fie mai puțin conductive la temperaturi ridicate datorită dispersării fononice crescute.

Un semiconductor extrinsec este un semiconductor care a fost dopat cu impurități pentru a schimba numărul și tipul purtătorilor gratuiți.

Semiconductorii intrinseci

În siliciu și germaniu, energia gap-ului indirect la temperatura camerei (300 K echivalent cu 27 ° C) este de 1,12 eV pentru siliciu și 0,66 eV pentru germaniu; la zero absolut (T = 0 K, echivalent cu -273,15 ° C) decalajul este de 1,17 eV pentru siliciu și 0,74 eV pentru germaniu [1] , iar aceste solide se comportă ca izolatori . Când temperatura crește, probabilitatea ca ultimii electroni, prezenți în banda de valență, să treacă către banda de conducție, datorită excitației termice, nu este neglijabilă. Electronii trecuți în banda de conducție sub acțiunea unui câmp electric extern duc la o densitate de curent . Fiecare electron care trece de la banda de valență la banda de conducere lasă un nivel gol numit gaură .

Prezența găurilor face disponibile alte niveluri care pot fi ocupate de alți electroni ai benzii de valență și, prin urmare, este posibil să existe o mișcare ordonată a sarcinilor, sub acțiunea unui câmp electric și în banda de valență. Prin urmare, vorbim de o densitate de curent în banda de valență . Într-un semiconductor în prezența unui câmp electric extern avem un debit de sarcină negativ datorat electronilor din banda de conducție, atât în ​​raport cu norul staționar de electroni de valență, un flux de sarcină pozitiv datorită golurilor din banda de valență. Apelare , concentrațiile de electroni și găuri e , vitezele de deriva, una opusă și una concordantă cu câmpul electric extern, densitatea totală de curent este dată de

și luarea în considerare a mobilităților (mobilitățile sunt diferite între ele deoarece descriu două condiții fizice diferite)

avem asta

În semiconductorii descriși până acum, sarcinile sunt cele furnizate exclusiv de atomii semiconductorului însuși.

În această stare ; această egalitate definește semiconductorii intrinseci pentru care avem asta

unde este se numește conductivitatea materialului.

Concentraţie de purtători de încărcare depinde de temperatura în funcție de funcție unde C este o constantă care depinde de material și este constanta lui Boltzmann. Această formulă este valabilă atunci când . Pentru materialele solide, această stare este întotdeauna verificată.

Semiconductorii extrinseci

Semiconductorii extrinseci sau dopați sunt acei semiconductori la care se adaugă impurități prin procesul de dopaj . Procente mici de atomi diferiți crește proprietățile de conducție ale semiconductorului: în conformitate cu ceea ce a fost spus despre legăturile de semiconductori intrinseci, știm că acestea au legături tetravalent , care este, fiecare atom este legat la alți patru atomi de același tip în rețea cristalină , acest lucru se datorează existenței a patru electroni de valență ai atomilor ( siliciu , germaniu ) ai semiconductorului. Prin adăugarea atomilor pentavalenți care au cinci electroni de valență în interiorul conductorului ( fosfor , arsenic , antimoniu ) există o creștere a electronilor de conducere: acest tip de dopaj se numește dopaj de tip n .

Dacă, pe de altă parte, adăugăm atomi trivalenți la semiconductori, adică atomi care au trei electroni de valență în nivelurile exterioare de energie ( bor , galiu , indiu ), aceștia creează așa-numitele capcane de electroni, adică creează legături care nu sunt stabil în interiorul conductorului și atrag electronii liberi pentru a se stabiliza. Din toate punctele de vedere, absența electronilor în rețeaua cristalină a unui semiconductor poate fi considerată ca prezența unei sarcini pozitive numite gaură care se deplasează în interiorul conductorului exact ca electronul (ținând evident seama de sarcină). Acest tip de dopaj se numește dopaj de tip p .

Statistic, un semiconductor dopat de tip n urmează legea acțiunii de masă , adică într-un semiconductor extrinsec:

adică produsul concentrațiilor (numărul de electroni sau numărul de găuri pe metru cub) rămâne constant.

Lasa-i sa fie concentrațiile de impurități ale atomilor pentavalenți și respectiv trivalenți: sunt numărul de atomi de dopaj pe metru cub introdus în semiconductor, D înseamnă că atomii sunt donatori, adică furnizează electroni, A care sunt acceptori, adică ele oferă găuri. Într-un semiconductor de tip n, :

adică, numărul de electroni de conducere într-un semiconductor de tip n este aproximativ egal cu cel al impurităților pentavalente prezente (sau mai bine zis, concentrația electronilor liberi este aproximativ egală cu densitatea atomilor donatori). Din legea acțiunii în masă rezultă că:

.

Evident, relații similare sunt valabile și pentru semiconductorii dopați cu p.

.

Notă

  1. ^ Date despre structura benzilor desiliciu șigermaniu în fișierul NSM

Bibliografie

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 43027 · LCCN (EN) sh85119903 · GND (DE) 4022993-2 · BNF (FR) cb11935848w (dată) · NDL (EN, JA) 00.562.913