MATERIALE SEMICONDUCTOARE Tehnologie electronic Curs 3 Materialele semiconductoare

MATERIALE SEMICONDUCTOARE Tehnologie electronică - Curs 3

� � Materialele semiconductoare stau la baza realizării de dispozitive electronice şi de circuite integrate. Acestea se caracterizează prin valori ale conductivităţii electrice cuprinsă în intervalul de valori σ = (10 -6 - 105) Ω-1 m-1. Conductivitatea electrică a semiconductoarelor este puternic dependentă de condiţiile exterioare (temperatură, câmp electric, câmp magnetic etc) şi de structura internă a acestora (natura elementelor chimice componente, defecte, impurităţi etc). La realizarea de dispozitive şi circuite electronice se poate folosi numai o parte dintre materialele semiconductoare care îndeplinesc condiţiile de conductivitate. Pe lângă aceste condiţii materialele semiconductoare folosite în electronică trebuie să prezinte legături covalente şi o structură cristalină perfectă. Tehnologie electronică - Curs 3

Caracteristici ale materialelor semiconductoare � Cele mai folosite materiale semiconductoare au la bază elementele chimice: grupa a IV-a: germaniul (Ge), siliciu (Si) grupa a VI-a: seleniul (Se) compuşi binari ai elementelor din grupele III - V a sistemului periodic: Ga. As, In. Sb. Tehnologie electronică - Curs 3

� Materialele semiconductoare cu structuri cristaline specifice: � structura cubică tip diamant (C, Ge, Si), � tip blendă (Si C, Ga Sb, Ga As), � tip wurzit (Zn. S, Zn. Se) Tehnologie electronică - Curs 3

Structura materialelor semiconductoare. Conducţia electrică � Materialele semiconductoare se utilizează pentru realizarea dispozitivelor electronice care au la bază fenomenul de conducţie comandată. Într-un semiconductor, curentul electric este determinat de electronii de conducţie şi de goluri, sarcini generate prin mecanismul intrinsec (rupere de legături) sau extrinsec (atomi de impuritate). Tehnologie electronică - Curs 3

� Impurităţi active: donoare - cu valenţa V: P, As, Sb, Bi; acceptoare - cu valenţa ///: B, Al, Ga, In. În prezenţa unui câmp electric E sarcinile electrice (electronii şi golurile) sunt accelerate, realizându-se procesul de conducţie electrică. Viteza medie ordonată a electronilor de conducţie şi a golurilor este determinată de câmpul electric aplicat. Aceasta reprezintă viteză de drift, care pentru electroni este vdn: iar pentru goluri este νdp : νdn = μn * E νdp = μp * E Tehnologie electronică - Curs 3

Semiconductori intrinseci � � � În procesul de conducţie electrică, în semiconductorii intrinseci densitatea curentului electric este egală cu suma între densitatea de curent a electronilor şi a golurilor: unde : n este concentraţia de electroni de conducţie din banda de conducţie; p este concentraţia de goluri din banda de valenţă; qo=e este sarcina electrică a electronului, respectiv, a golului, 1, 60 x 10 -19 C; vn, vp sunt vitezele de drift medii ale electronilor, respectiv ale golurilor. Tehnologie electronică - Curs 3

� Conductivitatea electrică σ este dată de suma dintre conductivitatea electronică σn şi cea a golurilor σp: � Deoarece în semiconductoarele intrinseci prin ruperea legăturilor atomice numărul electronilor liberi este egal cu numărul golurilor, este valabilă relaţia n= p= ni, astfel: Tehnologie electronică - Curs 3

Modelul benzilor energetice al conducţiei electrice în semiconductoarele intrinseci: T=0 K; E=0 T≠ 0 K; E ≠ 0 Concentraţia electronilor de conducţie creşte exponenţial cu temperatura şi scade exponenţial cu creşterea intervalului Fermi. Tehnologie electronică - Curs 3

� Pentru semiconductorii intrinseci, concentraţia de electroni este numeric egală cu cea a golurilor: n=p=ni unde ni este concentraţia intrinsecă de purtători de sarcină. Tehnologie electronică - Curs 3

Observaţii: � � Mobilităţile electronilor sunt întotdeauna mai mari decât mobilităţile golurilor, de aceea dispozitivele semiconductoare la care purtătorii majoritari sunt electroni pot funcţiona la frecvenţe mai mari decât a celor la care purtătorii sunt goluri. Pentru siliciul intrinsec mobilitatea electronilor, de 0, 135 m 2/(V*s), este de 2, 81 ori mare decât mobilitatea golurilor, care este de 0, 048 m 2/(V*s) la 300 K. Pentru Ga. As intrinsec mobilitatea electronilor, de 0, 85 m 2/(V*s), este de 6, 3 ori mare decât mobilitatea electronilor la siliciu; Raportul între mobilitatea electronului şi a golului la germaniul intrinsec este 2, 05 la 300 K. Tehnologie electronică - Curs 3