Benzi de energie

Benzi de energie

Nivelele energetice

Fizica cuantica descrie starea electronilor dintr-un atom cu ajutorul celor patru numere cuantice. Aceste numere descriu starile permise ale electronilor dintr-un atom.

La fel ca spectatorii dintr-un amfiteatru, ce se pot deplasa liberi intre scaune si randuri, si electronii isi pot modifica starea in cazul existentei unei energii suficiente si loc pentru deplasarea acestora. Din moment ce nivelul stratului este strans legat de cantitatea de energie a unui electron, "salturile" intre straturi (si chiar substraturi) necesita un transfer de energie. Pentru ca un electron sa se poata deplasa pe strat mai inalt, acesta are nevoie de energie aditionala dintr-o sursa externa. Folosind analogia amfiteatrului, pentru a ajunge intr-un rand de scaune superior, este nevoie de o energie din ce in ce mai mare, deoarece persoana trebuie sa urce la o inaltime tot mai mare ce necesita invingerea fortei gravitationale. De asemenea, daca un electron coboara pe un strat inferior, acesta cedeaza energie. Aceste nivele poarta numele de nivele energetice

Nu toate "salturile" sunt insa egale, cele dintre straturi necesita cel mai mare schimb de energie, pe cand salturile dintre substraturi sau dintre orbitali necesita un schimb de energie mai mic.

Benzile de energie

Cand atomii se combina pentru formarea substantelor, straturile, substraturile si orbitalii exteriori se combina intre ei, ducand la cresterea energiei disponibile pentru electroni. Cand un numar foarte mare de atomi sunt foarte aproape unul de celalalt, aceste nivele de energie disponibile formeaza o banda de electroni aproape continua, banda pe care electroni se pot deplasa cu usurinta.

Electronii liberi

Latimea acestor benzi si distanta dintre ele determina mobilitatea electronilor in cazul aplicarii unui camp electric asupra lor. In substantele metalice, benzile libere se suprapun cu benzile ce contin electroni, ceea ce inseamna ca electronii unui singur atom se pot deplasa la un nivel energetic mai mare necesitand foarte putina energie externa sau chiar deloc. Astfel, electronii din stratul exterior sunt cunoscuti sub numele de electroni liberi si se pot deplasa foarte usor daca sunt supusi unui camp electric exterior.

Cazul materialelor izolatoare

Suprapunerea benzilor nu are loc insa in toate substantele, indiferent de numarul atomilor ce se afla in proximitate. In cazul unor substante, exista o distanta considerabila intre banda de valenta (nivelul energetic cel mai mare) si urmatoarea banda goala, denumita banda de conductie. Prin urmare, electronii de valenta sunt "legati" de atomii lor si nu pot deveni mobili in cadrul substantelor fara ajutorul unei energii externe considerabile. Aceste substante formeaza materialele izolatoare (dielectrice).

Cazul materialelor semiconductoare

Insa, materialele din categoria semiconductorilor au o "distanta energetica" ingusta intre benzile de valenta si cele de conductie. Astfel, cantitatea de energie necesara pentru trecerea electronilor de valenta in banda de conductie, de unda devin mobili, este destul de modesta.

La temperaturi joase, energia termica disponibila pentru "impingerea" electronilor de valenta peste spatiul dintre banda de valenta si cea conductie este foarte mica, iar materialul semiconductor se comporta precum un izolator. La temperaturi inalte insa, energia termica devine suficient de mare pentru a forta electronii peste "distanta energetica", iar materialul se va comporta precum un material conductor.

Electroni si goluri

Scop

Materialele semiconductoare pure sunt izolatori relativ buni, in comparatie cu metalele, dar nu sunt la fel de bune precum sticla, de exemplu. Pentru a putea fi folosit in aplicatii cu semiconductori, materialul semiconductor pur, nedopat, nu trebuie sa contina mai mult de o impuritatea la 10 miliarde de atomi semiconductori. Acest lucru este analog unei impuritati sub forma de "un fir de praf intr-un sac de zahar". Materialele semiconductoare impure sunt conductoare mult mai bune, dar nu la fel de bune precum metalele. De ce se intampla acest lucru? Pentru a putea raspunde acestei intrebari, trebuie sa ne uitam la structura electronica a acestor materiale.

Structura electronica a semiconductorilor

In figura alaturata (a), cei patru electroni din stratul de valenta a unui material semiconductor formeaza legaturi covalente cu alti patru atomi. Toti electronii unui atom formeaza legaturi covalente. Electronii nu se pot deplasa liberi in structura cristalului. Prin urmare, semiconductorii puri (intrinseci) sunt izolatori relativ buni in comparatie cu metalele. Energia termica poate elibera ocazional un electron din structura cristalina a semiconductorului. Acest electron se poate deplasa liber prin structura cristalului (electron liber). Cand acest electron a fost eliberat cu ajutorul unei energii exterioare, a lasat in urma lui un loc liber cu sarcina pozitiva in structura cristalului, sarcina cunoscuta sub numele de gol.

Acest gol nu este nici el fix, ci se poate deplasa liber. Atat electronul, cat si golul contribuie la conductia electrica a cristalului. Electronul este liber pana in moment in care "cade" intr-un gol, proces cunoscut sub numele de recombinare. Daca se aplica un camp electric extern asupra semiconductorului, electronii si golurile se vor deplasa in directii opuse. Cresterea temperaturii duce le cresterea numarului de electroni si goluri si la descresterea rezistentei.

Acest lucru este exact opus comportamentului metalelor, unde rezistenta creste odata cu cresterea temperaturii datorita cresterii coliziunilor dintre electroni si structura cristalina. Numarul de electroni si goluri intr-un semiconductor intrinsec este egal. Totusi, viteza de deplasare ai celor doi purtatori de sarcina (electroni si goluri) nu este egala la aplicarea unui camp electric extern. Cu alte cuvinte, mobilitatea celor doi purtatori de sarcina nu este aceeasi.

Doparea materialelor semiconductoare

Materialele semiconductoare pure nu sunt foarte folositoare. Acestea trebuie sa prezinte un nivel inalt de puritate inainte de adaugarea impuritatilor specifice.

Materialele semiconductoare pure (1 parte la 10 miliarde), pot fi "murdarite" cu aproximativ 1 parte la 10 milioane pentru cresterea numarului de purtatori de sarcina. Adaugarea unei impuritati precise unui material semiconductor este cunoscuta sub numele de dopare. Doparea creste conductivitatea semiconductorului, pentru ca acesta sa se comporta mai mult ca un metal decat ca un izolator.

Impuritatea donoare de tip N

Cresterea numarului sarcinilor electrice negative din structura cristalina a unui material semiconductor se poate realiza prin doparea cu electroni a unui material donor precum fosforul. Materialele donatoare de electroni, cunoscute si sub numele de "materiale de tip N, includ elemente din grupa VA a tabelului periodic: N (azot), P (fosfor), As (arsenic) si Sb (stibiu sau antimoniu). Azotul si fosforul sunt folosite ca dopanti de tipul N pentru diamant, iar fosforul, arsenicul si stibiul sunt folosite ca si dopanti pentru siliciu.

Structura cristalina din figura alaturata contine atomi avand cate patru electroni in stratul de valenta, formand cate patru legaturi covalente cu atomii adiacenti. Aceasta este structura anticipata a materialului semiconductor. Adaugarea unui atom de fosfor cu cinci electroni in stratul de valenta introduce un electron suplimentar in structura materialului, in comparatie cu atomul de siliciu (figura alaturata (b)). Impuritatea pentavalenta formeaza patru legaturi covalente cu patru atomi de siliciu cu ajutorul a patru electroni din cei cinci disponibili. Structura astfel formata va dispune de un electron liber, ramas de la atomul de fosfor, ce nu are o legatura foarte stransa cu cristalul la fel cum au ceilalti electroni de siliciu, fiind liber sa se deplaseze in cristal.

Din moment de am dopat semiconductorul cu un atom de fosfor la fiecare 10 milioane de atomi de siliciu, exista relativ putini electroni liberi creati prin dopaj, daca facem o comparatie cu numarul de atomi de siliciu prezenti in structura. Totusi, daca facem o comparatie intre numarul de electroni liberi ai materialului dopat cu materialul pur, numarul de electroni liberi este relativ mare. Aplicarea unui camp electric extern produce o conductie electrica puternica a materialului semiconductor dopat in banda de conductie. Un nivel de dopaj mai ridicat, produce o conductie si mai puternica. Astfel, un material conductor cu o conductivitate scazuta, a fost "transformat" intr-un material conductor destul de bun.

Impuritatea acceptoare de tip P

De asemenea, este posibila introducerea unei puritati cu trei electroni in stratul de valenta, adica un electron in minus fata de siliciu. Acest lucru duce la formarea unui gol, un purtator de sarcina pozitiva. Atomul de bor (B), ce are trei electroni pe stratul de valenta, incearca sa realizeze patru legaturi covalente cu atomii de siliciu, iar pe parcursul acestui proces, cei trei electroni se vor deplasa incercand sa formeze aceste legaturi (figura de mai sus (c)). Acesta lucru duce la impresia ca golul se deplaseaza. Mai mult, atomul trivalent de bor poate imprumuta un electron de la un atom de siliciu adiacent (sau distant) pentru formarea celor patru legaturi covalente. Dar acest lucru inseamna ca atomul de siliciu are un deficit de un electron. Cu alte cuvinte, golul s-a "deplasat" pe un atom de siliciu vecin. Golurile se regasesc in banda de valenta, cu un nivel mai jos decat banda de conductie.

Doparea cu un acceptor - un atom ce poate accepta un electron - creaza o deficienta de electroni in structura materialului, sau un exces de goluri (cele doua exprimari sunt echivalente). Din moment ce golurile sunt purtatori de sarcina pozitiva, un dopant acceptor de electroni poarta numele de "dopant de tip P. Elementele dopante de tip P includ elementele din grupa IIIA a tabelului periodic: B (bor), Al (aluminiu), Ga (galiu) si In (indiu). Borul este folosit pe post de dopant pentru siliciu si diamant, iar indiul pentru germaniu.

Deplasarea electronilor si a golurilor

Exista o stransa legatura, in analogia "margelelor dintr-un tub", intre deplasarea golurilor si deplasarea electronilor. Margelele reprezinta electronii dintr-un conductor. Deplasarea electronilor de la stanga la dreapta intr-un semiconductor de tip N se poate explica astfel: electronul intra in tub prin partea stanga si iese prin partea dreapta. Deplasarea electronilor de tip N are loc in banda de conductie. Putem compara aceasta deplasare cu deplasarea golurilor in banda de valenta.

Ceea ce trebuie inteles este ca electronii se deplaseaza in directia contrara de deplasare a golurilor. Golurile nu sunt altceva decat absenta electronilor din banda de valenta, avand prin urmare o sarcina pozitiva, sarcina datorata prezentei protonilor din nucleu, si de fapt aceasta este sarcina "imaginara" pe care o reprezentam cu ajutorul golurilor.

Deplasarea electronilor (curent) intr-un semiconductor de tip N este similara deplasarii electronilor dintr-un conductor metalic. Atomii materialului dopant de tip N furnizeaza electroni pentru conductie. Acesti electroni poarta numele de purtatori de sarcina majoritari. Daca aplicam un camp electric intre doua puncte ale unui material semiconductor, electronii intra prin partea negativa (-) a materialului, traverseaza structura acestuia si ies prin partea dreapta (+), terminalul pozitiv al bateriei.