Semiconductori12 E

Cuprins: Benzile de energie. Conductori, semiconductori,

izolatori Semiconductori intrinseci Semiconductori extrinseci Probleme Jonciunea pn. Dioda semiconduc toare Caracteristicile diodei semiconductoare Trasarea experimental a caracteristicilor diodei semiconductoare Redresarea curentului alternativ Probleme

Benzile de energie. Conductori, semiconductori, izolatori

Banda de conductie Eg Banda interzisa

Banda de valenta

(nucleu)(Click pe fiecare termen daca dorii sa aflai mai mult..)

energie PrinBanda valen este nivel deenergetic Banda atomulla nivelul de n liber, provenit de o ntelegem de banda de stare separat deasupra nivelului ntrde energetic discret al energetic posibil conduciese gsesc se afl printr-un interval valen, atomului pe care nivele unsistem cuantic atom, energetic, de valen se energetice nucleu, band electronii denumit cristal, molecul,n care,dei sunt interzis, band denu exist care valen. libere, ele pot fi ocupate numete etc.) niveleelectroni n urma energetice pentru cu Fiecare nivel energetic Gradul Ocuparea cu electroni.rii de ocupare n cu excit atomului. discret al nivelelor din atomului, electroni nivelul liber al nivelelor a a cristal caracterizat de energetice conducie poate valen banda de seprin perechea atomului transform de numere natura chimic depindenumai de momentul ncepe bandcuantice (n,l), ntr-o de se n sbnivele n cristal a atomilor, detransform structura cnd electronii dinpoart banda libere band energetic. care ntr-o cristalin de de valende band ali denumirea sau primesc de o Noiunea benzi factori; ea poatede egal cu fi energie cel puin ocupat conducie. energetice (nivele parial sau complet de lrgimea benzii interzise. energetice) mod numai electroni. n reflectnormal starea energetic a electronii aflai n banda de electronilor dintr-un corp valen au cea mai mare solid. energie.

Nivele energetice

n funcie de gradul de ocupare cu electroni a benzilor de energie, corpurile solide pot fi mprite n: conductoare, semiconductoare, izolatoare.

Banda de conductie

substane care nude valen deasuprade valen este band benzii permit complet ocupat cu electroni trecerea curentului cu complet ocupat o band de conducie parial Eg > 3 eV electric. Orict energie de electroni, iar banda ar primi electronii din banda ocupat cu electroni. conducie complet liber de valen nu ar putea de este separat de banda face saltul printr-o band Eg < 3 eV valen n banda de conduciengust de lrgime interzis deci nu avem sarcini electrice,libere Eg < 3 eV sunt care s participe la Banda de valenta semiconductoare. Electrical formarea curentului Current.swf electric.

Conductoare Izolatoare Semiconducto Conductoarele (metalele) au Izolatoarele sunt are Corpurile solide a cror

Semiconductori

Semiconductoarele sunt corpuri a cror conductivitate electric = 1/ = 104....10-8 1/m este cuprins ntre cea a metalelor i cea a izolatoarelor, fiind influenat de temperatur ( la temperaturi joase sunt izolatoare i la temperaturi nalte sunt conductoare. Semiconductoare intrinseci ( pure) Semiconductoare Semiconductoare extrinseci ( cu impuriti de tip n de tip p

Conducia electric a semiconductorilor

La temperaturi joase un semiconductor este un isolator cu rezisten electric foarte mic.

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Atomii aflai n nodurile reelei cristaline oscileaz n jurul poziiei de echilibru. La o anumit temperatur vor avea o energie cinetic finit, existnd posibilitatea ca electronii periferici s prseasc atomii devenind liberi.

Cristal de siliciu ( germaniu )

Benzi de energie (eV)

Aducerea unui electron n starea de conducie nseamn trecerea lui din banda de valen (BV) n banda de conducie (BC). Prin plecarea electronului din BV n BC, n urma lui apare un nivel energetic liber numit gol. Apariia unui gol este echivalent cu apariia unei sarcini electrice pozitive.

BC Eg BV

Si

Si

Si

Si

Si

Si

E Fe Fe BC Eg BV

Benzi de energie (eV)

Dac semiconductorului i se aplic o diferen de potenial, electronii din banda de valen vor ncepe s se deplaseze n sens invers cmpului electric; golurile vor fi ocupate tocmai de acei electroni care se apropie de ele, lsnd n urma lor noi goluri. Electronii se vor deplasa de la - la + iar golurile n sens invers. n semiconductoare sunt posibile dou tipuri de conducie electric: - conducia electronic, determinat de deplasarea electronilor n banda de conducie; - conducie de goluri, determinat de deplasarea golurilor n banda de valen.

Semiconductori intrisecin cazul semiconductorilor intrinseci, datorit agitaiei termice electronii pot trece din banda de valen n banda de conducie BC, procesul numindu-se excitare termic intrinsec ( generare termic intrinsec ). n urma acestui proces apar electroni i goluri n numr egal. Pe de alt parte are loc i procesul invers generrii i anume recombinarea electronilor cu golurile, respectiv trecerea electronilor din banda de conducie BC n banda de valen BV. Prin urmare, n regim de echilibru termodinamic la o anumit temperatur T, numrul actelor de generare este egal cu numrul actelor de recombinare, iar n semiconductor se va stabili o concentraie staionar de electroni i goluri libere, unde ni concentraia concentraia electronilor liberi n0 fiind egal intrinsec cu concentraia golurilor libere p0:

Benzi de energie (eV)

BCrecombinar e genera re

Eg BV

Semiconductor de tip nPentru a obine un semiconductor extrinsec de tip n se introduc ntr-un semiconductor pur impuriti donoare ( donori ) adic, atomi cu valena V precum fosfor (P) sau arseniu (As).

Si

Si

As Si

As Si

Si

Si

Ed energia de ionizare Nd concentraia donorilor

- atomi donori - ioni ai atomilor donorin - concentraia total a electronilor liberi din BC p - concentraia golurilor n BVDonorii dau nivele energetice mai apropiate de banda de conducie, electronii putnd fi uor transportai de pe un astfel de nivel pe banda de conducie. Trecerea electronilor de pe nivelul donor n banda de conducie poart numele de excitare (generare) termic extrinsec a electronilor. Poate avea loc i procesul invers de trecere a electronilor din banda cde conducie pe nivelul donor, proces denumit recombinarea electronilor pe nivelul donor.

BC Ed Eg BV

n = p+ Nd

Semiconductor de tip p

Pentru a obine un semiconductor extrinsec de tip p se introduc ntr-un semiconductor pur impuriti acceptoare ( acceptori) adic, atomi cu valena III precum bor (B) sau galiu (Ga) .

Si

Si

Si B

B Si

Si

Si

Ea energia de ionizare a acceptorilor Na concentraia acceptorilor

- atomi acceptori - ioni ai atomilor acceptorip - concentraia total a Ea golurilor din BV n - concentraia electronilor n BC Procese care au loc n semiconductorii de tip p la temperaturi coborte predomin schimbul de goluri dintre BV i nivelul energetic Ea al acceptorilor, avnd loc acte de generare i recombinare a golurilor; la temperaturi mai nalte are loc i generarea intrinsec.

BC Eg BV

p = n+ Na

Jonciunea p-np n

E Jonciunea p-n reprezint zona de trecere ( contact) care se formeaz ntr-un cristal semiconductor, la care o parte conine impuriti acceptoare ( tip n) iar cealalt impuriti donoare (tip p). Ea are o lrgime l = 10-4 .10-5 cm.

Pentru a nelege cum lucreaz o jonciune p-n, s ne imaginm c dopm un semiconductor cu atomi donori i altul cu atomi acceptori.

Aducem mpreun cei doi semiconductori astfel obinui: unul de tipn, altul de tip p.

Electronii liberi din regiunea n difuzeaz n regiunea p, iar golurile din regiunea p difuzeaz n regiunea n, la aceste deplasri participnd n primul rnd purttorii mobili din imediata vecintate a jonciunii.

Ca rezultat, electronii liberi i golurile de lng jonciune tind s se mnnce unii pe alii, producnd o regiune liber de orice sarcin n micare. Aceast zon se numete zona de epuizare. n regiunea p, plecnd golurile i sosind electroni, acetia sunt captai de atomii acceptori ionizndu-i negativ i deci se formeaz o sarcin spaial negativ. Analog, n regiunea n plecnd electroni i sosind goluri, acetia ionizeaz pozitiv atomii donori i deci apare o sarcin

E

Prin urmare, de o parte i de alta apar dou zone foarte nguste cu sarcini electrice de semne contrare numit zon de trecere ( strat de baraj sau jonciune pn), iar cmpul electric, orientat dinspre regiunea n spre regiunea p i numit cmp de contact, mpiedic trecerea n continuare a purttorilor de sarcin ( electroni i goluri).

Se creeaz astfel o stare de echilibru n care transportul purttorilor majoritari, electroni i goluri, nceteaz. n planul jonciunii apare o barier de potanial Ub. Purttorii de sarcin minoritari ( golurile din regiunea n i electronii din regiunea p) sunt accelerai n sens opus deplasrii purttorilor majoritari. La echilibru termic i n absena polarizrii curentul determinat de fluxul I m = I s0 = I s purttorilor0 majoritari, trebuie s fie egal cu cel al purttorilor minoritari, adic:

E

+-

U

Ub x

Dioda semiconductoare

Jonciunea pn are caliti redresoare. Astfel aplicnd o tensiune continu cu : - polaritate direct (polul plus la regiunea p i polul minus la regiunea n), prin jonciune trece un curent electric a crui intensitate crete cu creterea tensiunii aplicate, deoarece rezistena electric este mic (Rj = 10 ); - polaritate invers, practic nu trece curent deoarece are loc o lrgire a stratului de baraj care capt o rezisten electric foarte mare (Rj = 104...105 ); n

Caracteristicile diodei semicoductoareU Ub Ub-Ula echilibru Tensiune directa Prin aplicarea cmpului exterior n sens direct are loc o micorare a duferenei de potenial (barierei) dintre cele dou regiuni, deoarece cmpul extern are sens invers cmpului de baraj, ceea ce nlesnete micarea purttorilor majoritari. n felul acesta, la polarizare direct curentul electric trece prin diod. U

Cnd dioda este polarizat invers, cmpul extern aplicat avnd acelai sens cu cmpul de baraj, micarea purttorilor majoritari este mpiedicat. n acest caz, curentul ce strbate dioda, format numai din purttori minoritari, este extrem de slab ( de ordinul mA la dioda cu Si i de ordinul A la cea cu Ge), aa nct l putem considera practic nul. Spunem c la polarizarea invers dioda nu conduce curentul electric.

Ub+U Ub

Tensiune inversa la echilibru

p

n

Schema i simbolul diodei

Dioda funcioneaz ca o supap ce permite trecerea curentului electric ntr-un singur sens (cnd este polarizat direct).

Caracteristica real a unei diode cu jonciune. n figur se reprezint caracteristica I = f(U) a unei diode. Ea pune n eviden urmtoarele: a) Intensitatea curentului n sens direct, dup ce se depete tensionea de deschidere UD, crete exponenial i rezistena diodei devine foarte mic. b) n sens contrar, pentru U < 0, intensitatea curentului care trece prin diod este foarte mic, cu multe ordine de mrime mai mic dect n sens direct. n majoritatea aplicaiilor practice se consider egal cu zero. Dac tensiunea crete peste o anumit valoare critic numit tensiune de strpungere dioda (jonciunea) se strpunge i intensitatea curentului ncepe s creasc brusc. Fenomenul de strpungere este unul negativ. n practic se urmrete crearea de jonciuni care s reziste la tensiuni http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html inverse ct mai mari, mii de voli.

Caracteristica static liniarizat aproximeaz destul de bine, pentru cureni lent variabili, caracteristica real a diodei. Definim rezistena dinamic a diodei prin relaia:

i i u 0 UD u

Rdm =

u i

pentru poriunea nclinat, corespunztoare conduciei diodei. Acest raport reprezint tangenta unghiului de nclinare fa de vertical a poriunii rectilinii nclinate Rdm = tg .

O diod ideal ar funciona ca un ntreruptor care este nchis pentru tensiuni u < 0 (polarizare invers) i deschis pentru tensiuni pozitive u > 0 (polarizare direct). Ea ar prezenta la polarizare invers o rezisten infinit, iar n conducie direct, o rezisten nul.

i

u 0

Caracteristica liniarizat ar Dideala corespunde modelului electric echivalnd cu o diod ideal nseriat cu o rezisten, reprezentnd rezistena dinamic a diodei i cu un generator ideal de tensiune electromotoare egal i cu tensiunea de deschidere UD a diodei reale. (a) Din compunerea celor trei caracteristici individuale (b) rezult caracteristica liniarizat D.id (c). Reinem c UD i Rdm sunt 0 U D parametrii0, u < U D modelului. Modelul este descris de (b) i = u U D matematic funcia: ,u UD RdmRd m

Rdm

UD

(a)i

i

u 0 UD

u

(c)

Trasarea experimental a caracteristicilor diodei semiconductoare

Materiale necesare:diod

semiconductoare; resistor (cel puin 10 ) surs : 0 12 V c.c. conductori de legtur; voltmetru, ampermetru; reostat.

Trasarea experimental a caracteristicii diodei Materiale necesare: - diod semiconductoare; - resistor (cel puin 10 ) - surs : 0 12 V c.c. - conductori de legtur; - voltmetru, ampermetru; - rheostat. Mod de lucru: - se realizeaz montajul din figur; - variai tensiunea aplicat i notai valorile corespunztoare ale curentului n tabel: Tensiune la bornele diodei (V) 4 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 Intensitatea curentului prin diod (A)

http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbeit/da/weTEiS/weteis/diode

pentru a nregistra rezultatele pentru valori negative ale tensiunii se inverseaz bornele diodei; trasai graficul: I = f(U) rezistena diodei pentru o anumit tensiune este egal cu raportul dintre tensiune i intensitate; folosii graficul pentru a ca lcula rezistena diodei pentru diferite tensiuni; descriei cum variaz rezistena cu tensiunea aplicat; este rezistena diodei aceeai pentru o tensiune pozitiv i pentru o tensiune negativ.

Redresarea curentului alternativ

Transformatorul din Filtrul are rolul de a circuitul redresor Prin redresarea curentului alternative se nelege transformarea reduce (netezi) separ componenta de curentului alternativ de joas Redresorul n curent pulsator, utiliznd un frecven pulsaiile tensiunii propriu-zis este curent alternativ de dispozitiv numit redresor. redresate. Filtrele se un element cea de curent continuu Pentru redresarea curentului alternativ se poate folosi dioda cu realizeaz de obicei neliniar (sau i determin de obicei redresor cu dispozitiv semiconductor este n mod obinuit un jonciune. cu elemente de mai multe) care valoarea tensiunii compus din: elementul redresor ( dioda semiconductoare ),sursa de circuit reactive: permite continue pentru o curent alternativ (reea de alimentare cu energie electric sau condensatoare, trecerea valoare dat a tensiunii de netezire.. transformator) i un filtru bobine, uneori Spre i curentului ntrde reaea. Retea rezistoare. sarcin un singur sens. a Transformat Filtru de ~ or netezire Redresor

Redresor monoalternan

Redresorul monoalternan este cel mai simplu redresor. Blocul redresor coine un singur element redresor, o diod. Randamentul sczut este unul dintre dezavantajele acestui redresor. Un al doilea dezavantaj este ncrcarea nesimetric a reelei, puterea fiind absorbit doar n timpul unei singure semialternante. Redresorul monoalternan este ns destul de folosit la puteri mici deoarece este cel mai simpu i cel mai ieftin.

Redresarea ambelor alternane

Redresor dubl alternan cu punct mediann cazul acestui tip de redresor transformatorul este necesar i el trebuie s aib un secundar cu dou nfurri nseriate, care au acelai numr de spire, cu un punct median ntre ele, astfel ca s furnizeze blocului redresor compus din dou diode dou tensiuni identice, u2. Ansamblul poate fi privit i ca dou redresoare monoalternan legate la aceeai sarcin, n cazul acesta rezistena RS.

n prima semiperioad cele dou diode sunt polarizate astfel: D1 direct, plusul tensiunii transformatorului la anod, iar D2 invers. Schema echivalent este aceea din figura (b) (D1 scurtcircuit, D2 ntrerupt) i tensiunea pe sarcin este egal cu u2, adic o semialternan pozitiv.

http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_trans

n a doua semiperioad cele dou diode sunt polarizate astfel: D1 invers, minusul tensiunii transformatorului la anod, iar D2 direct. Schema echivalent este aceea din figura (c) (D1 ntrerupt, D2 scurtcircuit) i tensiunea pe sarcin este egal cu minus u2 (negativ n acest semiinterval), adic din nou o semialternan pozitiv. Se obine n acest fel o redresare dubl alternan.

Redresor dubl alternan n punte

Redresorul dubl alternan n punte are schema, forma tensiunilor i schemele echivalente n semiperioadele distincte de funcionare prezentate n figur. n cazul acestui tip de redresor transformatorul poate lipsi. Se obine n acest fel o redresare dubl alternan la fel ca n cazul anterior. Avantajul schemei, valoarea medie dubl fa de redresarea monoalternan i deci o eficacitate dubl a redresrii dar i faptul c este nevoie de o singur surs de alimentare.

Blocul redresor este format din 4 diode legate n punte (formnd un patrulater) ntr-o anumit succesiune a terminalelor. La una din diagonalele punii se conecteaz sursa de tensiune alternativ, sau secundarul transformatorului dac acesta exist, iar la a doua diagonal se conecteaz sarcina, R n cazul acesta.

n prima semiperioad sunt polarizate direct diodele D2 si D3 i sunt polarizate invers diodele D1 i D4. Schema echivalenta este aceea din figur i tensiunea pe sarcin este egal cu u2, adic o semialternan pozitiv.

n a doua semiperioad sunt polarizate invers diodele D2 i D3 sunt polarizate direct diodele D1 i D4. Schema echivalent este aceea din figur i tensiunea pe sarcin este egal cu minus u2 (negativ n acest semiinterval), adic din nou o semialternan http://www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCurrent.dcr pozitiv.

Bibliografie Manual pentru clasa a XI-a; N. Gherbanovschi,

M.Prodan,St. Levai; Ed. Didactica si Pedagogic; Bucuresti 1990 Fizica Manual clasa aXII-a; O. Rusu,L. Dinica, C-tin Traistaru, M. Nistor; Ed. Corint; Bucuresti 2007 http://mritsec.blogspot.com/2009/01/electronic-deviceanimations.html http://www.ibiblio.org/kuphaldt/socratic/output/animation _bridge_rectifier_nonideal_fast.gif http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbe it/da/weTEiS/weteis/diode1.htm http://wwwg.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.ht

Redresarea cu pynte http://www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCurrent.d cr Redresarea cu 2 diode http://www.sciences.univnantes.fr/physique/perso/gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_transfo.html LED http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/leds/basicoperation/ Caracteristica diodei http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbei t/da/weTEiS/weteis/diode1.htm Dioda semiconductoare http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html