Ministerul Educatiei al Republicii Moldova

Colegiul Politehnic din Bălți

Tema: Materiale Semiconductoare

Elaborat: Lungu Alexandra

Grupa C-115

Verificat: Catană Victoria

Balti,2015

1.GENERALITĂŢI.Ştiinţa Materialelor studiază structura şi proprietăţile metalelor şi aliajelor, stabileşte legături

între compoziţie, structură şi proprietăţi, elaborează tehnologii de modificare a acestor proprietăţi.În natură, pot fi identificate opt categorii de materiale:

1) metale2) semiconductori3) dielectrici4) ceramice5) sticle6) polimeri sintetici (fibre sintetice, elastomeri, mase plastice)7) substanţe naturale (piatră, lemn, fibre, piei, etc.)8) compozite (materiale compuse din două sau mai multe materiale din cele şapte tipuri precedente)

Elementele sistemului periodic se clasifică în mod covenţional în metale şi nemetale. Proprietăţile structurale şi fizico-chimice variabile permit clasificarea elementelor sistemului periodic după criterii diferite.

Metalele reprezintă 82 din cele 118 elemente cunoscute până în prezent. Siliciul (Si), germaniul (Ge), arseniul (As), seleniul (Se), telurul (Te) sunt considerate elemente chimice intermediare metalelor şi nemetalelor, numite adesea semimetale. Toate elementele dispuse în stânga liniei imaginare trasată între bor şi astatin (de la nr. 5 până la nr. 85) sunt considerate metale, iar cele dispuse în dreapta acestei linii sunt nemetale.

Sistemul periodic al elementelor chimice

Toate proprietăţile caracteristice metalelor sunt specifice pentru stările de agregare solidă şi lichidă, deoarece în aceste condiţii între atomii metalelor se manifestă legături metalice. In starea gazoasă metalele nu se deosebesc de nemetale.Cele mai reprezentative proprietăţi ale metalelor sunt: tendinţa de a forma reţele cristaline compacte; proprietăţi optice specifice (opacitate, luciu metalic, culoare); conductivitate termică şi electrică ridicată; insolubilitate în dizolvanţi comuni (se dizolvă numai în metale cu formare de aliaje).

Conductivitatea electrică este proprietatea materialelor de a conduce curentul electric.În tehnică se utilizează proprietatea inversă, rezistivitatea electrică(proprietatea prin care materialele se opun trecerii curentului electric).

Rezistivitatea electrică este mărimea fizică care exprimă rezistenţa electrică a unui conductor cu lungimea de 1 cm şi aria secţiunii de 1 cm2.Rezistivitatea electrică se exprimă in Ω∙cm.

În funcţie de mărimea rezistivităţii electrice, la temperatura mediului ambiant,materialele se clasifică astfel:

1. materiale conductoare(substanţe).2. materiale semiconductoare.3. materiale izolatoare(dielectrice).

MATERIALE

Grupa materialelor conductoare cuprinde materialele metalice, soluţii şi săruri nemetalice.Grupa materialelor semiconductoare şi a materialelor izolatoare cuprinde materialele nemetalice.

2.STRUCTURA.PROPRIETĂŢI.

Materialele semiconductoare, la temperatura mediului ambiant, sunt rău conducătoare de electricitate.În anumite condiţii mecanice,termice sau chimice devin conducătoare de electricitate.

Se cunosc nouă elemente chimice cu proprietăţi de semiconductor:borul,carbonul(diamantul), siliciul, germaniul, staniul cenuşiu, fosforul, arsenul, seleniul şi telurul.Combinaţiile chimice anorganice cu proprietăţi semiconductoare se numesc compuşi semiconductori.

Elementele semiconductoare din subgrupa a IV-a(C, Si, Ge, Sn) au o reţea cristalină complexă tip diamant.

Arsen(As) Carbon(C)

Siliciu(Si) Fosfor(P)

MATERIALE SEMICON-DUCTOARE

MATERIALE IZOLA-TOARE

MATERIALE CONDUC-TOARE

Rezistivitatea elec-trică

ρ=10-6 -10-4 Ω∙cm

Rezistivitatea elec-trică

ρ=10-3 -10-2 Ω∙cm

Rezistivitatea elec-trică

ρ=108 -1020 Ω∙cm

Staniu(Sn) Germaniu(Ge)

Bor(B) Seleniu(Se)

Telur(Te)În această reţea, fiecare atom este înconjurat de alţi patru

atomi plasaţi în vârfurile unui tetraedru regulat.Legătura între atomul central şi atomii din vârfurile tetraedrului este o legătură covalentă(legătură prin perechi de electroni de valenţă).

Fig.2.1.Siliciu-structura cristalina Fig.2.2.Electronii de

valenţă(Si)

Fig.2.3.Legătura covalentăProprietăţile electrice ale materialelor semiconductoare sunt

influenţate de prezenţa impurităţilor.Impurificarea poate fi realizată cu elemente chimice pentavalente(As,Sb, P) sau cu elemente chimice trivalente(B, Ga, Al).

3.MATERIALELE SEMICONDUCTOARE.

Fig.3.1.Semiconductor tip n.

Electronii de valenţă formează legături covalente, dar numai la temperaturi joase, când siliciul este izolator perfect. La temperaturi normale, unii electroni părăsesc legăturile şi devin electroni de conductivitate. Creşterea temperaturii determină un număr mai mare de electroni să părăsească legăturile. Semiconductoarele la tempe-raturi joase au caracter electro-izolant, iar la temperaturi ridicate devin conductoare.

Arseniul oferă pentru legă-turile covalente cu atomii de siliciu, cinci electroni de valenţă.Un electron rămâne liber, devenind electron de conductivitate. Arseniul, ca impuritate este donor, iar semiconductorul prin care se deplasează elec-tronii liberi, se numeşte semiconductor de tip n(cu sarcini electrice mobile nega-tive-electronii).

Fig.3.2.Semiconductor tip p.

Compuşii semiconductori au structuri cristaline şi legături covalente.Semiconductoarele se fabrică prin procedee de sinteză şi purificare, prin care se

obţin monocristale.4.APLICAŢII TEHNICE.

Materialele semiconductoare , în funcţie de unii factori externi(temperatura, lumina, câmpul electric, câmpul magnetic) îşi pot modifica proprietăţile electrice.

Varistoarele sunt componente electronice realizate din materiale semi-conductoare la care variaţia tensiunii cu intensitatea electrică nu este liniară.În cazul tiritului, la creşterea tensiunii electrice peste o anumită limită, scade brusc rezistivitatea electrică a componentei electronice.Tiritul se utilizează pentru protecţia liniilor de înaltă tensiune, în cazul unor descărcări electrice(fulgere).

La tensiune normală, rezistenţa tiritului este mare, pierderile de curent fiind foarte mici.La supratensiuni(descărcări electrice), rezistenţa electrică scade brusc, iar surplusul de energie electrică se scurge în sol.

Fig.4.1.Varistoare

Aluminiul oferă pentru legă-turile covalente trei elec-troni de valenţă.Golul electronic este ocupat de un electron al unei alte legături covalente. Are loc o deplasare a golului electropozitiv prin materialul semiconductor.Se creează o deplasare de goluri elec-tropozitive, generând un curent electric. Aluminiul, ca impuritate, este acceptor, iar semicon-ductorul prin care se de-plasează golurile se numeste

Termistoarele sunt componente electronice c are, la creşterea temperaturii îşi micşorează rezistivitatea electrică.Se utilizează pentru limitatoare de temperatura, sisteme de alarmă .Termistoarele au la bază oxizi metalici(CuO2, ZnO, MgO).

Fig.4.2.TermistoareFotorezistenţele sunt componente electronice care,

sub influenţa luminii, devin bune conducătoare de electricitate(se micşorează rezistivitatea electrică).Sunt sensibile la lumina verde(CdS), la lumina roşie(CdSe, CdTe), la radiaţii infraroşii(PbSe, Pb,Te).

Se utilizează în cinematografie, televiziune, la instalaţii de alarmă.

Fig.4.3.FotorezistenţeDiodele semiconductoare înlocuiesc diodele clasice(tuburile electronice),

fiind utilizate la instalaţii electronice(radiofonie,televiziune, calculatoare).Diodele redresoare se utilizează pentru transformarea curentului alternativ în

curent continuu(punţi redresoare).Aceste componente electronice au la bază germaniu sau siliciu impurificate cu elemente chimice pentavalente sau trivalente.

Fig.4.4.Diode semiconductoareTranzistoarele sunt componente electronice care

permit amplificarea curentului electric.Ele sunt cu joncţiune p-n-p sau n-p-n.Se utilizează pentru echipamente electronice în televiziune, radiofonie, calculatoare, instalaţii electrice auto, etc.

Fig.4.5.Tranzistoare

5.MATERIALE PIEZOELECTRICE.

Materialele piezoelectrice au proprietatea de a genera sarcini electrice sub acţiunea forţelor mecanice sau de a se deforma elastic sub influenţa acţiunii unor câmpuri electrice.Proprietatea este specifică unor substanţe cristaline solide: cuarţul,turmalina, titanatul de bariu, sarea de Seignette.

Fig.5.1.Cuarţ

Dacă un cristal de cuarţ este solicitat mecanic pe direcţia unei axe electrice,pe feţele perpendiculare acestei axe apar sarcini electrice de semn contrar (diferenţă de potenţial electric).Invers, aplicarea unui câmp electric provoacă deformarea cristalului(contracţie sau lungire).

Aceste efect(efectul piezoelectric) se utilizează pentru măsurarea presiunilor, fabricarea materialelor ceramice.