Semiconductori

Semiconductori

Semiconductorii au unele proprietati caracteristice, stabilite experimental, cum sunt: existenta unui coeficient negativ al variatiei rezistivitatii cu temperatura, aparitia unei forte termoelectromotoare, atat pozitive cat si negative mari in raport cu metalele, sensibilitate la lumina, fie prin aparitia unei forte termoelectromotoare, fie prin variatia rezistivitatii la iluminare, precum si aparitia efectului de redresare a curentului electric.

S-a mai stabilit ca un rol important in caracterizarea semiconductorilor il au impuritatile pe care acestia le contin facandu-se distinctia intre proprietatile intrinseci ale semiconductorilor datorate defectelor structurii cristaline si compozitiei stoechiometrice, precum si proprietatilor legate de prezenta  impuritatilor care fac ca anumiti parametri sa varieze foarte mult de la o proba la alta.

Pentru toate aceste fenomene specifice s-a dat o explicatie teoretica satisfacatoare in 1931 cand Wilson a aplicat in cazul semiconductorilor rezultatele teoretice obtinute de Block privind miscarea electronilor in corpurile cristaline.

Modelul benzilor de energie permite explicarea conductibilitatii electrice diferentiate la metale, materiale semiconductoare si izolatoare.

Structura zonelor de energie depinde de structura electronica a atomilor si de natura legaturilor interatomice.

Conductibilitatea intrinseca

Conductibilitatea electrica a unui semiconductor poate fi cauzata in cazul substantelor elementare foarte pure de electronii proprii si in acest caz este vorba de semiconductori intrinseci. Acestea sunt elemente de tranzitie intre metale si nemetale ca de ex. Si si Ge. La aceste elemente zona de valenta este complet ocupata, cea de conductibilitate este complet libera si intre ele exista o zona interzisa de latimea Dhn Pentru a trece din banda de valenta in banda de conductie un electron poate fi excitat termic sau prin absorbtia unei cuante de lumina. Daca energia absorbita este cel putin egala cu Dhn sau mai mare, electronul trece din banda de valenta in banda de conductie. Pentru fiecare tranzitie apare in zona de conductibilitate un nivel ocupat de un electron iar in zona de valenta un nivel liber, respectiv un gol ( marcat cu + ).

Schematic transferul prin absorbtia unei cuante de lumina a unui electron din banda de valenta in banda de conductie poate fi reprezentat astfel:

Cristalul contine acum 2 benzi ocupate partial cu electroni. Atat electronul din zona de conductibiliate cat si golul din zona de valenta participa la transmiterea curentului electric. Conductibilitatea benzii de conductie datorita electronilor este denumita conductibilitate de tip n, iar conductibilitatea din banda de valenta, datorita golurilor pozitive poarta numele de conductibilitate de tip p.

Conductibilitatea de tip p este determinata de saltul unui electron de legatura sub influenta campului electric aplicat cristalului intr-un gol vecin. Procesul se repeta, incat golurile migreaza in intregul  cristal. La aplicarea unui camp electric, electronii din banda de conductie se vor deplasa in sens invers campului, iar golurile in sensul campului electric. Perechea electron - gol poate sa se anihileze dupa un anumit timp prin revenirea electronului excitat pe un nivel liber din zona de valenta. Acest fenomen invers generarii perechii electron - gol se numeste recombinarea purtatorilor de sarcina.

Analiza: Genetica umana - tipuri mendeliene de eredit Analiza: Pielea - organ conjunctivo-epitelial

Straturile din apropierea planului datorita fortei de coeziune se vor deplasa cu o viteza mai mica decat cele plasate la o distanta mai mare, astfel incat viteza de deplasare creste cu cresterea distantei fata de planul orizontal, straturile cu viteze mai mari cauta sa antreneze pe cele cu viteze reduse care la randul lor franeaza pe primele.

Apare astfel o forta de frecare notata cu F

F = h A dv/dx

In care h- coeficinet de vascozitate dinamica;

A - suprafata de contact;

dv/dx - gradientul vitezei de curgere, raportata la 1 cm distanta intre straturi.

h = F / A dv/dx [ Pa s]

In industria lubrifiantilor se lucreaza cu alta unitate a vascozitati si anume vascozitatea cinematica

-v = h r [ St ] Stokes [cSt] centiStokes

Ca unitate de masura comerciala uzuala pentru vascozitate se foloseste gradul Engler (⁰ E), care arata raportul dintre timpul de curgere a 200 cm³ ulei si timpul de curgere a 200 cm³ apa distilata, la 20 ⁰C, prin orificiul vascozimetrului Engler.

Pentru exprimarea numerica a modului de comportare la uleiurilor cu temperatura, se cunosc un numar mare de sisteme empirice dintre care cel mai utilizat este indicele de vascozitate DEAN - DAVIS. Acesta se stabileste prin compararea uleiului dat cu doua uleiuri de referinta, si anume un ulei ce prezinta o variatia foarte mica a vascozitatii cu temperatura si al doilea cu variatie foarte mare a vascozitatii cu temperatura.

Caracteristicile de ungere ale uleiurilor sunt conditionate de proprietatile lor tensioactive si de rezistenta la presiuni ridicate. Proprietatile tensioactive se manifesta in fenomenele de emulsionare, spumare, adsorbtie si ungere. Ele sunt influentate de prezenta in ulei a unor substante cu grupari polare: carboxil, hidroxid sau atomi de S, clor.

Emulsionarea uleiurilor in prezenta apei este determinata de concentratia  gruparilor polare la interfata ulei - apa. Prezenta unor substante tensioactive in apa stabilizeaza emulsia formata.

Spumarea uleiului este cauzata de prezenta gazelor. Spumarea uleiului determina formarea dopurilor de vapori in pompe si in circu

Conductibilitate extrinseca

Atomii straini, substituiti izomorf in reteaua unui semiconductor modifica proprietatile, in special conductibilitatea electrica a acestuia. Procesul de impurificare voita a unui semiconductor, cu atomi straini in concentratii foarte mici si exact controlate nu schimba sensibil structura cristalina  a materialului de baza.

Semiconductorii de tip Si si Ge folositi curent se dopeaza cu atomi straini in cantitati atat de mici incat analiza chimica nu permite decelarea lor. Aceste concentratii sunt de circa 1 atom strain la 10⁸ atomi de Si sau Ge. Sunt doua feluri de dopanti:

donori ( dopanti de tip n) si

acceptori ( dopanti de tip p).

Daca Si element tetravalent este dopat cu un element din grupa V-a. De ex. P, As, Sb atunci numai 4 electroni de valenta ai acestor elemente intervin in formarea legaturilor.

La temperaturi apropiate de 0 K electronul excedentar ramane legat de atomul dopant La temperaturi mai ridicate, acest electron trece din banda de valenta in banda de conductie care se ocupa astfel partial si devine conductoare. Dopantii de acest fel, deci cu Z mai mare decat elementul de baza, sunt donori de tip n iar conductibilitatea care apare este numai de tip n si numai in banda de conductie.

Daca Si este dopat cu cativa atomi ai unui element din grupa III-a A, ca de ex. B, Al, Ga, In, care au cu un electron de valenta mai putin decat Si, atunci pentru stabilirea celei de a patra covalente, atomul dopant atrage un electron de la o legatura Si -Si vecina generand un gol in banda de valenta a Si. Si astfel dopat devine un semiconductor de tip p.