JONCTIUNEA n-p

JONCTIUNEA n-p

Jonctiunea de tip n-p se realizeaza prin impurificarea unui cristal de Ge sau Si cu impuritati donoare la un capat si acceptoare la celalalt, folosind procedee tehno­lo­gice astfel ca cele doua zone "n" si "p" sa fie invecinate.

Daca se considera separat fiecare din cele doua zone ale jonctiunii n-p, zonele de energie corespunyatoare se reprezinta ca in fig. 2.11. In fig. 2.11 este sugerat, prin figurarea sagetilor, faptul ca la temperatura normaa in semiconduc­torul donor, atomii donori sunt ionizati (pozitiv) si ca electronii de pe nivele donoa­re se afla in zona de conductie.

Figura 2.11.Nivelele energetice ale semiconductorilor de tip "n" si "p"

La fel este sugerat efectul intrinsec, prin saltul electronilor in zona de con­ductie direct din zona de valenta lasand in urma lor goluri (echivalente cu sarcini pozitive).

Rezulta ca purtatorii majoritari sunt electronii iar minoritari golurile.

O repre­zentare similara s‑a facut pentru semiconductorul acceptor in care elec­tronii sunt minoritari iar golurile majoritare. Inainte de a considera cele doua parti puse in contact, se admite ca partea acceptoare este legata la pamant si deci poten­ti­a­lul ei nu se modifica. Daca se considera ca cele doua parti "n" si "p" ale conduc­to­ru­lui se pun in contact, datorita concentratiei mari de electroni "n" in zona de conductie si respectiv de golurile "p" in zona de valenta, are loc difuzia elec­tro­nilor din "n" in "p" intr‑o regiune ce elimina jonctiunea. In partea jonctiunii dinspre semiconductorul "n" se formeaza o sarcina spatiala pozitiva, iar in partea dinspre semiconductorului "p" una negativa (deoarece aici s‑a localizat un numar excedentar de electroni) asa cum se reprezinta in fig.2.12. Prin punct plin s‑a figu­rat electronul excedentar al atomului donor, iar prin cercuri mici golurile atomilor acceptori

Figura 2.12. Jonctiunea n-p

In urma difuziei, in regiunea de latime (l₀) electronii din "n" compenseaza go­lurile din "p". Atomii donori se ionizeaza deci pozitiv iar cei acceptori negativ. Pe masura ce electronii excedentari ai impuritatilor donoare difuzeaza in reteaua impu­ritatilor acceptoare are loc micsorarea valorii nivelului limita Fermi donor, la o anu­mita valoare a campului de difuzie (E_D), cand se stabileste echilibrul termo­di­na­mic, nivelul Fermi (F_n) a semiconductorului "n" coincide cu (F_p) al semi­conductorului "p". Aceasta determina distorsiunea nivelelor de energie, ca in fig.2.12­, si aparitia barierei de potential de inaltime (eV_D). Rezulta ca trecerea pur­tatorilor de sarcina dintr-o parte a jonctiunii in cealalta nu este posibila numai daca energia acestora este egala sau mai mare decat bariera de potential.

Figura 2.13. Jonctiunea n-p in camp direct.

Conductia unilaterala a jonctiunii rezulta si in acest caz daca se considera alimentarea acesteia cu tensiune continua, de polaritate data.

Daca campul electric exterior (E) este aplicat in sens invers campului elec­tric de difuzie (E_D), similar jonctiunii MOS, polaritatea negativa (-V) revenind semiconductorului "n", bariera de potential se reduce (eV_D-eV) ca in fig.2.13 si la temperatura camerei, purtatorii de sarcina atat "n" cat si "p" o pot escalada chiar si la instalatii foarte mici ale campului electric exterior. Deci jonctiunea este ali­men­tata in sens direct si prezinta conductivitate foarte mare (vezi relatia 2.21).

Figura 2.14. Jonctiunea n-p in camp invers

Daca se aplica campul electric exterior in sensul campului de difuzie (E_D); bariera de potential creste la valoarea (eV_D+eV) si distorsiunea nivelelor de energie se accentueaza ca in fig.2.14. Purtatorii de sarcina nu mai pot traversa jonctiunea deoarece nu el poate fi transmisa energia necesara fara ca aceasta sa nu se distruga.

Jonctiunea este practic electroizolanta, iar curentul ce o strabate este negli­jabil (relatia 1.22). Deci jonctiunea este alimentata in sens invers. Daca se aplica jonc­ti­unii n-p o tensiune alternativa, datorita conductiei unilaterale, se obtine redre­sarea curentului, deci efectul de dioda. In practica jonctiunile n-p au apli­catii multiple atat in domeniul curentilor slabi cat si in tehnica curentilor tari.

In prezent se utilizeaza diode semiconductoare de Si sau Ge pentru curent di­rect de ordinul sutelor de amperi si tensiunea inversa de valoare foarte mare (1,5~3 kV). Se utilizeaza de asemenea jonctiuni duble de tipul (n-p-n) in care con­duc­tia revine in principal electronilor, sau de tipul (p-n-p) cu conductie predo­mi­nan­ta prin goluri, ambele functionand cu tiristoare.

Doparea precisa a elementelor semiconductoare - in vederea obtinerii jonc­ti­u­nilor a permis realizarea diodelor semiconductoare, tranzistoarelor, tiristoarelor, vari­stoarelor, elementelor electroluminiscente etc.

Diode semiconductoare sunt dispozitive cu o singura jonctiune p - n. Se rea­lizeaza in mai multe variante : diode redresoare, varicap, pentru frecvente ultra­analte etc.

Diodele redresoare se obtin din Ge, Si, GaAs, Se etc.Diodele cu Si de mica putere (obtinute prin difuzie) se utilizeaza in instalatii cu curenti slabi (recep­toarele de televiziune), iar cele de mare putere - obtinute printr-o tehnologie pla­na­ra - in instaltii de redresare pentru curenti intensi.

Diodele cu contact punctiform se realizeza dintr-o pastila de Ge dopat cu Sb (cu rezistivitatea de 0.01..0.05 Ωm) si un fir de wolfram sau aur.

Diodele de frecventa ultraanalta sunt diode punctiforme realizate din Ge sau Si de rezistivitate redusa si cu fir de aur de circa 3 μm diametru.

Diodele tunel se obtin din materiale semiconductoare cu concentratie de impu­­ritati (cazuri in care nivelul limita Fermi se afla intr-o banda permisa si rezistivitatea

Diodele Zener se realizeaza din Si, cu jonctiune de suprafata.

Tranzistoarele. Sunt constituite dintr-un strat p sau n puternic dopat - numit emior E -, un strat dopat mediu si cat mai subtire posibil - baza B - si un strat p sau n de concentratie mai redusa - numit colector C.

Tranzistoarele cu efect de camp (TEC) prezinta impedanta mare la intrare si zgomot foarte redus, se realizeaza cu grila jonctiune sau cu grila izolata.

. Tiristoarele sunt dispozitive cu trei jonctiuni pnpn, obtinute prin difuzie uni­laterala sau bilaterala in cristal de tip p sau n a unor impuritati acceptoare sau donoa­re.Tiristoarele de putere se construiesc, de obicei, prin difuzie bilaterala a unor impu­ritati acceptoare intr-un semiconductor de tip n urmata de alierea sau difu­zia unei noi impuritati donoare.Se utilizeaza in circuitele de comutatie, la celu­lele de redresare cu electrod de comanda etc.

Elemente electroluminiscente. Se caracterizeaza prin aparitia - la intro­du­ce­rea lor intr-un camp electric - a unor radiatii luminoase. Se obtin din: sulfura de zinc sau de cadmiu, activate cu Cu, Ag, Mn sau cu unul dintre constituentii aflati in ex­ces. Se realizeaza panouri electroluminescente, ecrane pentru osciloscoape, televizoare etc.

Varistoarele.Sunt dispozitive puternic neliniare, realizate pe baza de car­bura de Si (CSi).Pulberea de CSi in amestec cu o substanta ceramica sau o rasina termo­ri­gida (sellac, epoxi) este presata si arsa.Deoarece rezistenta varistoarelor scade foarte mult cu cresterea tensiunii, ele se utilizeaza in constructia descarcatoarelor cu rezis­tenta variabila de inalta si joasa tensiune pentru protectia masinilor si transfor­ma­toa­relor electrice, a instalatiilor de telecomunicatie etc.

Semiconductoarele cu sensibilitate mare la actiunea temperaturii se utili­zea­za la fabricarea termistoarelor, termoelementelor, a elementelor termoemisive etc.

Termistoare.Sunt rezistoare neliniare realizate din amestecuri de oxizi de: Mn, Ni, Co, Fe etc. si caracterizate printr-un coeficient de variatie al rezistivitatii cu tem­peratura foarte mare si negativ.

Termistoarele se realizeaza sub forma de bare, discuri sau perle, in functie de domeniul de utilizare:

Rezistenta la rece a barelor si discurilor este de ordinul sutelor sau miilor de ohmi si scade, la cald, sub 1Ω.Din acest motiv sunt utilizate ca stabilizatoare ale punc­­telor statice de functionare ale tranzistoarelor.Perlele introduse in tuburi de stic­la, se utilizeaza pentru masurarea temperaturii, sau ca relee de timp. Perlele incon­ju­rate de o rezistenta parcursa de curent electric si introduse intr-un balon de sticla vi­dat, se utilizeaza ca dispozitive de reglaj.

Termoelemente.Sunt conbinatii de doua semiconductoare sau de un semi­con­ductor si un metal, lipite intre ele la cele doua capete si dispuse la temperaturi dife­ri­te. Se realizeaza din etc.

Straturi termoemisive.Se obtin din oxizi ai metalelor alcalino-pamantoase si constituie catozii tuburilor electronice cu emisie la cald, lucrul mecanic de extractie a electroniilor fiind mai redus decat in cazul catoziilor (metalici) cu emi­sie la rece.

Generatoarele Hall si dispozitivele pe baza de ferite reprezinta aplictiile cele mai importante ale semiconductoarelor sensibile la actiunea campului mag­ne­tic. Se utilizeaza HgSe, HgTe, InAs, InSb, etc.Generatoarele Hall se utilizeaza pentru masu­rarea inductiei magnetice, a curentului continuu de intensitate mare, a cuplului mo­toa­relor electrice, a puterii in c.c. etc.

Aceste materiale se utilizeaza la fabricarea tuburilor fotoelectrice, a celu­lelor fotoconductoare si fotovoltaice, a fototranzistoarelor, a elementelor lumi­niscente si fotorescente etc.

Tuburi fotoelectrice.Constructia lor se bazeaza pe efectul fotoelectric interior :iluminate, ele isi modifica conductivitatea electrica si determina, astfel, variatii ale curentiilor electrici care le parcurg.Se confectioneaza prin depunerea pe un gratar me­ta­lic a unui strat semiconductor de Se, TeS, CdS, CdSe, PbS, PbSe etc. Se utilizeaza in instaltii de semnalizare, protectie, comanda etc.

Celule fotovoltaice. Aceste dispozitive cuprind fotoelementele, foto­dio­dele si fototranzistoarele.Fotoelementele se deosebesc de toate tipurile de dispozi­tive foto­e­lec­trice prin faptul ca nu contin surse de alimentare cu tensiune elec­tri­ca­. Astfel un fotoelement de dimensiuni relativ reduse poate genera sub actiunea ra­dia­tiilor lumi­noase, o tensiune electromotoare de 0.5V (respectiv o putere de 22.5mW ­in circuitul de sarcina). Ca materiale semiconductoare se utilizeazaa:

Prin gruparea mai multor fotoelemente se pot obtine baterii solare cu puteri pa­na la (cu un randament al transformarii energiei luminoase in energie elec­trica de 11%)

Fotodiodele au zone sensibile la radiatii luminoase situate in interiorul mate­ri­a­lului semiconductor.Se obtin, prin aliere, tragere etc., din Ge, Si.

Fototranzistoarele - avand una din jonctiunile p - n expuse radiatiilor lumi­noa­se - se realizeaza din aceleasi materiale ca si fotodiodele.

Luminoforii si fosforii se utilizeaza la fabricarea dispozitivelor cu fluores­centa sau fosforescenta, a ecranelor tuburiilor catodice, a lampilor fluorescente, a pano­u­ri­lor luminoase.Luminoforii utilizati in tehnica se obtin din sulfuri, selenuri, silicati, wolframati, borati etc. activati cu Cu, bismut, mangan etc.

Traductoarele piezoelectrice se realizeaza din materiale semiconductoare a caror structura nu prezinta un centru de simetrie al sarcinilor punctuale, de exem­plu GaAs, InSb etc.In practica sunt des intalnite traductoare piezoelectrice reali­zate din cuart sau turmalina, materiale care, dupa cum se stie, fac parte din clasa izolantilor. Se uitlizeaza pentru masurarea presiunii, a fortelor si acceleratilor in tensometrie, de­fec­toscopie etc.

Traductoarele de presiune - rezistenta electrica se realizeaza din granule (mi­cro­foane) sau discuri subtiri (traductoare industriale) din carbune, plasate intre doua placi conductoare si care isi modifica rezistenta electrica sub actiunea solici­ta­rilor me­canice (statice sau dinamice). Asemenea dispozitive se utilizeaza in cons­tructia accelerometrelor, in telefonie, pentru inregistrarea informatiei etc.

In afara aplicatiilor prezentate, materialele semiconductoare se utilizeaza la fa­bricarea circuitelor integrate (monocristale care contin rezistoare, diode, tranzis­toare), a laserilor si maserilor, a instalatiilor frigorifice, a termoelementelor, a mode­la­toa­re­lor de radiatii infrarosii, a celulelor fotoelectromagnetice, in masu­ra­rea distantelor submicroscopice etc.