SEMICONDUCTORI.FIZICA NUCLEULUI

Semiconductorul este un material a cărui rezistivitate este cuprinsă între cea a conductoarelor si izolatoarelor. Un câmp electric poate schimba rezistivitatea semiconductorilor. Dispozitivele fabricate din materiale semiconductoare sunt baza electronicii moderne, fiind părți componente în radiouri, computere, telefoane și multe altele. Dispozitivele semiconductoare sunt: tranzistorul, celulele solare, mai multe tipuri de diode, inclusiv dioda luminiscentă și circuit integrat. fotovoltaice sunt dispozitive semiconductoare care transformă energia luminii în energie electrică. Într-un conductor metalic, curentul este reprezentat de fluxul de electroni. Într-un semiconductor curentul este reprezentat fie de fluxul de electroni fie de fluxul de "goluri" din structura electronică a materialului.

Un semiconductor este un material care are conductivitatea electrica cuprinsa intre conductivitatea unui metal (ex. Cupru) si a unui izolator (ex. Sticla). Semiconductorii sunt fundatia electronicii moderne. Exista in doua tipuri materialele semiconductoare – elemente si compusi. Aranjamentul unic al atomilor din Siliciu si Germaniu fac ca aceste doua elemente sa fie cele mai folosite in prepararea materialelor semiconductoare. Noile descoperiri legate de semiconductori au facut posibila cresterea complexitatii si vitezei microprocesoarelor si dispozitivelor de memorie.

Conductivitatea electrica a unui material semiconductor creste odata cu cresterea temperaturii, comportamentul opus fata de metale. Dispozitivele semiconductoare pot avea multe proprietati folositoare, precumtrecerea curentului mai usor intr-o directie decat in cealalta, avand rezistente variabile, sensibilitate la lumina sau caldura. Din cauza ca proprietatile electrice ale unui material semiconductor se modifica din cauza impuritatilor, campurilor electrice sau luminii, dispozitivele facute din materialele semiconductoare pot fi folosite pentru amplificarea, transformarea sau conservarea energiei.

Conductivitatea curentului intr-un semiconductor are loc prin miscarea electronilor liberi (-) si a “golurilor” (+), acestia fiind cunoscuti ca si conductori de sarcina. Adaugand atomi impuri intr-un material semiconductor (procedeu numit dopare), numarul de conductori de sarcina dintr-un semiconductor poate creste substantial. Cand un semiconductor are majoritar goluri, acesta este numit semiconductor de tip p, iar cand un semiconductor are majoritar electroni liberi, acesta este numit semiconductor de tip n. Un singur semiconductor poate avea mai multe regiuni de tip p si de tip n; spatiul dintre aceste regiuni sunt responsabile de comportamentul electric.

Unele proprietati ale materialelor semiconductoare au fost observate de la jumatatea secolului XIX pana la prima decada a secolului XX. Dezvoltarea fizicii cuantice a permis dezvoltarea tranzistorilor in 1947. Desi unele elemente pure si multi compusi au proprietati semiconductoare, siliciul, germaniul si compusi ai galiului sunt cele mai folosite in dispozitivele electrice. Elementele aproape de “scara metalelor” in sistemul periodic al elementelor sunt de obicei folosite in semiconductori.

Denumirea din partea sudica din nordul Californiei este numita “Sillicon Valley” (Valea Siliciului) din cauza influentelor companiilor tehnologice care au sediul prinipal acolo. O parte integrala din dispozitivele tehnologice de astazi este facuta din semiconductori, in principal din siliciu. Unele dintre cele mai mari firme include Marvell Technology Group, National Semiconductor si Advanced Micro Devices (AMD).

Proprietati

Conductivitate variabila

Semiconductorii in starea naturala sunt conductori slabi deoarece un curent este necesar miscarii electronilor si semiconductorii au octetul satisfacut. Exista diferite moduri prin care semiconductorii se pot comporta ca si materialele conductoare (ex. doparea). Aceste modificari au doua finalitati: crearea semiconductorilor de tip n si p. Acestea se refera la exces sau insuficienta de electroni. Un numar neechilibrat de electroni poate cauza conducerea electronilor prin material.

Heterojunctia

Heterojunctia are loc cand doua tipuri de dopare a unui semiconductor are loc in acelasi material. Spre exemplu, o configuratie care consta in Germaniu de tip n si Germaniu de tip p. Din aceasta rezulta interschimbarea golurilor cu electronii liberi. Transferul are loc pana la atingerea echilibrulu printr-un proces numit recombinare, care face ca electronii din tipul n sa intre in contact cu golurile din tipul p. Un produs al acestui proces sunt ioni cu sarcina din care rezulta curent electric.

Electronii excitati

O diferenta in potentialul electric al unui material semiconductor poate distruge echilibrul termic si poate crea o situatie de dezechilibru. Aceasta introduce electroni si goluri in sistem, care interactioneaza printr-un proces numit difuzie ambipolara. Cand un echilibru termic este deranjat intr-un semiconductor, numarul de goluri si electroni se schimba. Aceasta distrugere poate avea loc ca un rezultat al diferentei de temperatura sau fotoni, care pot intra in sistem si sa

creeze electroni liberi si goluri. Procesul care creaza si anihileaza electronii si golurile sunt numite generatie si recombinatie.

Emisia de lumina

In anumiti semiconductori, electronii excitati se pot relaxa prin emiterea de lumina, in loc de producerea caldurii. Acesti semiconductori sunt folositi in fabricarea LED-urilor (diodelor emitatoare de lumina) si punctelor cuantice fluorescente.

Conversia energiei termince

Semiconductorii au factori termo-electrici care ii fac folositori in generatoarele termo-electrice si de asemenea in racitoare termo-electrice.

Materiale

Un numar mare de elemente si compusi au proprietati semiconductoare, incluzand:

- Elemente pure din Grupul XIV al tabelului periodic; cele mai importante fiind siliciul si germaniul. Siliconul si Germaniul sunt folosite efectiv, deoarece au 4 electroni de valenta, astfel avand proprietatea de a primii si ceda electroni in aceasi masura.

- Compusii binari, in particular elemente dintre Grupul III si V, Grupurile II si VI, grupurile IV si VI si intre elemente diferite din Grupul IV.

- Compusi tetravalenti specifici, oxizi si aliaje.

- Semiconductori organici, facuti din compusi organici.

Cele mai cunoscute materiale semiconductoare sunt cristaline solide, dar si semiconductori lichizi si fara forme sunt de asemenea cunoscuti. Acestia include siliciul fara forma hidrogenat si amestecuri de arseniu, seleniu si telur intr-o varietate de proportii. Acesti compusi impart cu cateva materiale semiconductoare proprietati intermediare ale conductivitatii si variatia rapida dintre conductivitate si temperatura, dar de asemenea ocazional rezistenta negativa. Acestor materiale le lipsesc rigiditatea structurii cristaline conventionala a semiconductorilor, precum siliciul. Ele sunt in general folosite in structuri subtiri, care nu au nevoie de materiale cu conductivitate electrica mare, fiind relativ insensibile la impuritati si radiatii.

Fizica si semiconductorii

Semiconductorii sunt definiti prin comportamentul lor electro-conductiv unic, undeva intre cel al metalelor si al izolatorilor. Aceasta diferenta intre aceste materiale poate fi inteleasa prin stadiul cuantic al electronilor, fiecare continand zero sau un electron (Principiul Pauli). Aceste stari sunt asociate cu structura benzilor electronilor ale materialului. Conductivitatea electrica creste datorita prezentei electronilor in stare libera, desi pentru ca transportul de electroni sa aiba loc, materialul trebuie sa fie partial plin. Daca starea este mereu ocupata cu un electron, atunci trecerea altor electroni este blocata in acea stare.

Un semiconductor pur nu este util, deoarece nu este nici bun conductor, nici bun izolator. Dar o calitate importanta a semiconductorilor (si unele izolatoare cunoscute ca semi-izolatoare) este acea de a creste conductivitatea si controlul acesteia prin dopare cu impuritati si prin aplicarea campurilor electrice.

Purtatori de sarcina

Electronii umplu locurile de la baza benzii de conducere care poate fi inteleasa ca adaugarea electronilor pe acea banza. Electronii nu sunt statici (datorita recombinatiei termice naturale), acestia miscandu-se constant. Concentratia obisnuita de electroni este foarte scazuta, si (spre deosebire de metale) este posibil sa ne gandim la electronii dintr-o banda de conductie a unui semiconductor ca la un fel de “gaz ideal”, unde electronii zboara in jur liberi fara a se supune Principiului Pauli. In majoritatea semiconductorilor, benzile de conductie au o relatie de dispersie parabolica si astfel electronii raspund fortelor (campurilor electrice, magnetice etc.) la fel cum ar face in vid, cu mase efective diferite.

2.1.1 Conductoare, izolatoare, semiconductoare Din punctul de vedere al proprietăţii corpurilor solide de a fi străbătute de curent electric sub acţiunea unei tensiuni electrice continue aplicate din exterior, acestea se împart în trei mari categorii: - conductoare (metalele); - semiconductoare; - izolatoare.

După cum s-a arătat anterior, în metale întâlnim o structură cristalină, unde în nodurile reţelei cristaline se găsesc plasaţi ioni pozitivi, în timp ce printre noduri se mişcă liber şi haotic electroni. Apariţia electronilor liberi se explică prin forţa de legătură foarte slabă a electronilor de valenţă. Concentraţia electronilor liberi este de ordinul 1028 m-3 şi nu depinde practic de temperatură. Rezistenţa electrică a metalelor este determinată de frecvenţa ciocnirilor electronilor liberi cu ionii pozitivi din nodurile reţelei. Ionii sunt într-o permanentă vibraţie termică în jurul unei poziţii de echilibru. Cu creşterea temperaturii, amplitudinea oscilaţiilor creşte, ceea ce frânează mişcarea de ansamblu a electronilor liberi sub acţiunea

unui câmp electric exterior. Aşa se explică creşterea rezistenţei (rezistivităţii) metalelor cu temperatura. Din punct de vedere al conductivităţii σ (σ = 1/ρ), metalele înregistrează valori foarte mari, σm [10∈ 6, 108] Ω-1m-1. Există şi o categorie de materiale, numite izolatoare, pentru care conductivitatea este extrem de mică, σ i [10∈ -12,10-20] Ω-1m-

1. Electronii de valenţă ai atomilor acestor materiale sunt foarte puternic legaţi de atomi. Izolatoarele nu conduc curentul electric deoarece în interiorul lor, practic, nu există purtători liberi de sarcină electrică. Aceste materiale, cum ar fi mica, materiale plastice, sticla, ceramica, marmura, hârtia, cauciucul etc. sunt foarte folosite în electrotehnică în general pentru a realiza diferite izolaţii electrice.

Între metale şi izolatoare, din punct de vedere al conductivităţii, se plasează semiconductoarele, pentru care σs [10∈ 4, 10-8] Ω-1m-1. Spre deosebire de metale, la semiconductoare, conductivitatea creşte puternic cu temperatura (absolută), aşa cum se indică în fig. 2.1.

La temperaturi foarte coborâte, semiconductoarele sunt izolatoare, iar la temperaturi ridicate sunt conductoare destul de bune. În categoria semiconductoarelor intră o mare varietate de substanţe: oxizi, compuşi, elemente chimice ca siliciul, germaniul, seleniul, etc. În dispozitivele electronice semiconductoare, cele mai utilizate materiale sunt cristalele elementelor tetravalente Ge şi Si şi a unor compuşi intermetalici, îndeosebi GaAs (arseniură de galiu). În cazul semiconductoarelor, electronii de valenţă sunt legaţi de atom mai slab decât la materialele izolatoare. Aceste legături pot fi rupte dacă electronii primesc o energie suficientă devenind astfel electroni liberi. Pentru trecerea electronilor din stadiul de electroni legaţi de atom în starea de electroni liberi, trebuie transmisă o energie minimă ΔW, numită energie de activare. Pentru semiconductoare, energia de activare se plasează în domeniul 0,025 … 3 eV. Fiecare material semiconductor în parte este caracterizat de o anumită valoare a energiei de activare. Astfel, pentru Ge avem ΔW = 0,72 eV, pentru Si, ΔW = 1,1 eV, etc. Folosind acelaşi criteriu, al energiei de activare, putem constata că la metale, ΔW = 0, iar la izolatori, ΔW = 3 … 10 eV. Energia de activare la metale fiind nulă, la orice temperatură numărul electronilor liberi este acelaşi. În cazul izolatoarelor, energia de activare fiind foarte mare, prin încălzire, practic nu apar purtători liberi. Datorită valorilor mici, energia de activare poate fi transmisă electronilor de valenţă din materialele semiconductoare de energia de agitaţie termică a ionilor reţelei cristaline. Spre deosebire de metale, cu creşterea temperaturii în semiconductoare creşte numărul electronilor liberi. De exemplu, la Si pur, concentraţia electronilor liberi creşte de la 1017 m-3 (la temperatura camerei) până la 1024 m-3, la temperatura de 700 °C (legea 3/2).

2.1.2 Purtători de sarcină în semiconductoare. Semiconductoare intrinseci La semiconductoare este caracteristic faptul că la conducţie participă pe lângă electronii liberi (de conducţie) şi electronii de valenţă, rămaşi legaţi de atomii din reţeaua cristalină. Pentru înţelegerea acestui tip de conducţie analizăm comportarea electronilor dintr-un cristal de germaniu. Atomul de germaniu are patru electroni de valenţă. În reţeaua cristalului de germaniu, fiecare atom este înconjurat echidistant de patru atomi. Fiecare electron de valenţă al unui atom formează o pereche cu un electron de valenţă din atomul vecin. Electronii devin comuni ambilor atomi. Acest tip de legătură, caracterizată prin punerea în comun a electronilor de valenţă între atomii vecini, se numeşte legătură covalentă. În fig. 2.2 a se reprezintă modelul spaţial al legăturilor unui atom de germaniu din reţeaua cristalină, iar în fig. 2.2 b modelul plan (simplificat) al legăturilor covalente dintre atomii de germaniu. Starea legăturilor din fig. 2.2 corespunde temperaturilor foarte scăzute, când cristalul se comportă ca un izolator aproape perfect. La temperaturi mai înalte, datorită caracterului fluctuant al energiei de agitaţie termică, o parte din electronii din legăturile covalente pot deveni electroni liberi, primind o energie (cel puţin) egală cu energia de activare. Electronii eliberaţi din atomii neutri lasă în locurile pe care le părăsesc ''goluri'', adică legături covalente nesatisfăcute. Sub acţiunea unui câmp electric exterior, electronii din unele legături covalente ale atomilor vecini

pot ''umple'' aceste ''goluri''. Ca urmare, în atomii de unde au plecat rămân alte ''goluri''. După apariţia unui ''gol'', un electron dintr-un atom vecin îl umple, lăsând în urma lui alt gol. Prin urmare, are loc o deplasare a electronului legat (de valenţă) într-un sens şi a golului în sens contrar. În acest fel, golurile se comportă ca nişte particule fictive, cu sarcină pozitivă +e şi masă mp , care se deplasează prin cristal şi contribuie, alături de electronii liberi, la conducţia electrică. Mişcarea electronilor liberi, eliberaţi din legăturile covalente, se poate reprezenta printr-o mişcare clasică, supusă legilor mecanicii newtoniene, sub acţiunea forţelor externe (câmpuri electrice exterioare), a unei particule fictive, numită electron de conducţie. Acesta are sarcina electrică -e şi o masă mn. În mn se include efectul câmpului electric periodic, datorat ionilor reţelei cristaline, electronul fiind supus doar forţelor externe, macroscopice. In concluzie, în semiconductoare participă la conducţie două tipuri de purtători de sarcină mobilă: electronii (negativi) şi golurile (pozitive). Într-un semiconductor pur, la echilibru termic, purtătorii mobili apar numai prin generarea termică a perechilor electron-gol. În acest fel, vor rezulta tot atâţia electroni de conducţie câte goluri. Semiconductorul în care concentraţia de electroni este egală cu cea de goluri se numeşte semiconductor intrinsec, iar concentraţia respectivă ni , concentraţia intrinsecă: n0 = p0 = ni (2.1) unde n0 şi p0 reprezintă concentraţiile de electroni, respectiv de goluri, în semiconductorul pur, la echilibru termic. Pentru o temperatură dată, n0 şi p0 sunt mărimi constante care depind de natura semiconductorului pur respectiv.

Nucleul unui atom este încărcat cu întreaga sarcină electrică pozitivă a atomului şi ocupă centrul acestuia concentrând practic toată masa atomului. Nucleul este alcătuit din două tipuri fundamentale de particule stabile, protonul şi neutronul, numite nucleoni. Protonul are sarcina electrică e+, masa de repaus egală cu 1836 mase electronice, numărul cuantic de spin 2/1, iar momentul magnetic este , unde NP793,2μ=μeNm2eh=μ este magnetonul nuclear. Neutronul este o particulă neutră din punct de vedere electric, masa sa de repaus este practic egală cu masa protonului, numărul cuantic de spin este , iar momentul său magnetic este 2/1Nn91,1μ−=μ. Numărul de protoni din nucleu numit număr atomic , determină numărul de ordine al elementului chimic căruia îi aparţine nucleul în tabelul periodic al lui Mendeleev. Numărul total de nucleoni este denumit număr de masă ZA, iar: ZAN−= (12.1)

reprezintă numărul de neutroni din nucleu. Maxima stabilitate se manifestă în regiunea nucleului de Fe . Stabilitatea tinde să se realizeze prin reacţii de fisiune în domeniul numerelor de masă mare şi prin reacţii de fuziune în regiunea cu vqalori mici pentru A.·      Energia de legătură per nucleon are valori de~8MeV adică mult mai mare decăt energia de legătură a electronilor ~ eV.