3.2-fizica-dispozitivelor-semiconductoare.pdf
TRANSCRIPT
-
10
02 - Fizica dispozitivelor semiconductoare
01. Fizica cuantic
Electronii exist n atomi sub form de nori ai probabilitilor distribuite, i nu sub forma unor corpuri
discrete ce orbiteaz n jurul nucleului precum sateliii n jurul planetelor
Fiecare electron din jurul nucleului atomului are o stare unic descris de patru numere cuantice: numrul
cuantic principal, cunoscut sub numele de strat; numrul cuantic orbital, cunoscut sub numele de substrat;
numrul cuantic magnetic, ce descrie orbitalul (orientarea stratului); numrul cuantic de spin, sau pur i
simplu spin. Aceste stri sunt cuantificate, adic electronul nu poate exista ntre aceste stri ce sunt
definite de numerotaia cuantic
Numrul cuantic principal
(n) descrie stratul pe care se afl electronul. Cu ct acest numr este mai mare,
cu att raza norului electronic este mai mare fa de nucleul atomului, i cu att este mai mare energia
electronului. Aceste numere sunt numere ntregi pozitive
Numrul cuantic orbital
(l) descrie forma norului electronic dintr-un anumit strat i este cunoscut adesea
sub numele de substrat. Numrul substraturilor (formelor norilor electronici) din oricare strat este egal cu
numrul cuantic orbital. Acestea sunt numere ntregi pozitive ce ncep de la zero i se termin la n-1 (n -
numrul cuantic principal)
Numrul cuantic magnetic ml
descrie orientarea substratului (forma norului electronic). Numrul
orientrilor substraturilor este de 2l + 1 (l - numrul cuantic orbital). Fiecare orientare unic poart numele
de orbital. Aceste numere sunt ntregi, cu valori ntre -l i l
Numrul cuantic de spin ms
descrie o alt proprietate a electronului, iar valoarea acestuia poate s fie +1/2
sau -1/2
Principiul de excluziune al lui Pauli
spune c, ntr-un atom, nu exist doi electroni cu acelai set de numere
cuantice. Prin urmare, numrul maxim de electroni pe fiecare orbital este de 2 (spin=1/2 i spin=-1/2), de
exemplu
Notaia spectroscopic
Comportamentul chimic al unui atom este complet determinat de electronii din straturile neocupate
complet. Straturile inferioare ocupate complet nu au aproape niciun efect asupra formrii legturilor
chimice ale elementelor
este o convenie folosit pentru descrierea configuraiei electronilor dintr-un atom.
Straturile sunt descrise de numere ntregi, urmate de substraturi, descrise cu ajutorul literelor (s, p, d, f), iar
un indice superior este folosit pentru indicarea numrului total de electroni de pe fiecare substrat n parte
-
11
Importana fizicii cuantice
Invenia dispozitivelor semiconductoare a constituit cu siguran o nou revoluie industrial. Aceste
dispozitive au fcut posibil miniaturizarea aparatelor electronice, incluznd calculatoarele personale, dezvoltarea
echipamentelor medicale de diagnoz i tratament, apariia dispozitivelor de telecomunicaii moderne i multe
altele.
Dar n spatele acestor realizri remarcabile se afl o alt revoluie a tiinei n general: fizica cuantic. Fr
aceast nou nelegere a lumii, dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare nu ar fi fost posibil. Fizica cuantic
este ns un domeniu al tiinei extrem de complicat, iar acest capitol reprezint doar o mic introducere. Fr o
nelegere de baz a fizicii cuantice, sau cel puin o nelegere a descoperirilor tiinifice ce au dus la formularea
acesteia, este imposibil nelegerea funcionrii dispozitivelor electronice semiconductoare. Majoritatea textelor de
electronic ncearc s explice semiconductorii cu ajutorul fizicii clasice, lucru ce duce la o confuzie i mai mare,
nu la nelegerea subiectului.
Modelul clasic al atomului (Rutherford)
Majoritatea dintre noi am vzut modele ale atomului
care arat aproximativ precum n figura alturat
(vezi subiectul discutat n volumul I).
Acesta este cunoscut sub numele de modelul lui
Rutherford. Centrul atomului este format din
particule de materie minuscule denumite protoni i
neutroni; electronii orbiteaz n jurul nucleului
precum planatele n jurul Soarelui. Nucleul prezint
o sarcin electric pozitiv datorit prezenei
protonilor, neutronii neavnd sarcin electric, iar
electronii ce orbiteaz n jurul nucleului poart o
sarcin negativ, ntreg ansamblul fiind astfel echilibrat din punct de vedere al sarcinilor electrice.
Electronii sunt atrai de protoni la fel cum planetele sunt atrase prin intermediul gravitaiei de Soare, dar
orbitele sunt stabile datorit micrii electronilor. Acest model extrem de popular al atomului a fost prezentat pentru
prima dat de Ernest Rutherford, ce a determinat pe cale experimental, n jurul anului 1911, c sarcinile pozitive
ale atomului sunt concentrate ntr-un nucleu dens i de dimensiuni reduse, n contradicie cu modelul propus de J.J.
Thompson, care susinea c aceste sarcini sunt distribuite egal n interiorul atomului.
-
12
Experimentul de mprtiere al lui Rutherford
Acest experiment a presupus bombardarea unei folii subiri de aur cu
particule Alfa, ncrcate pozitiv. Rezultatele au fost neateptate. O mic
parte din particule au fost deviate la unghiuri foarte mari. Cteva dintre
particulele Alfa au fost deviate napoi, la aproape 180o
Motenirea modelului lui Rutherford
, dar majoritatea
particulelor au trecut pur i simplu prin folia de aur nedeviate, indicnd
faptul c cea mai mare parte a foliei era compus din aer. Faptul c o mic
parte a particulelor Alfa au fost deviate la unghiuri foarte mari nu se putea
explica dect prin prezen unui nucleu minuscul, ncrcat cu sarcin pozitiv.
Cu toate c acest model al atomului era mai precis dect cel al lui Thompson, totui, nici acesta nu era
perfect. Au fost ntreprinse, prin urmare, noi experimente pentru determinarea structurii atomice corecte, iar aceste
eforturi au dus la descoperirile bizare al fizicii cuantice. Astzi, modelul atomului, aa cum este el neles cel puin,
este destul de complex.
Totui, comparaia atomului lui Rutherford cu sistemul solar continu s domine chiar i n mediile
academice.
De exemplu, urmtoarea descriere este luat dintr-o carte de electronic:
Electronii negativi ce orbiteaz n jurul nucleului pozitiv sunt atrai de acesta, ceea ce ne face s ne
ntrebm: de ce electronii nu cad pe nucleul atomului? Rspunsul este c electronii rmn pe orbitele lor stabile
datorit existenei celor dou fore egale i de sens contrar: fora centrifug exercitat asupra electronilor aflai n
micare pe orbite ce anuleaz fora centripet ce atrage electronii spre nucleu datorit sarcinilor opuse.
Urmnd modelul lui Rutherford, autorul consider electronii ca fiind buci solide de materie ce se
deplaseaz pe orbite circulare, atracia fa de nucleul ncrcat cu o sarcin de semn contrar fiind balansat de
micarea lor. Referirea la fora centrifug nu este corect din punct de vedere tehnic (nici chiar pentru planete),
dar este uor de trecut cu vedere datorit popularitii ei. n realitate, nu exist nicio for care s mping un corp,
orice corp, departe de centrul orbitei acestuia. Iluzia este dat de faptul c un corp ce are inerie tinde s se
deplaseze n linie dreapt, iar din moment ce o orbit este o deviaie (acceleraie) a deplasrii n linie drept, exist
tot timpul o opoziie fa de fora de atracia a corpului spre centrul orbitei, fie c este for gravitaional, atracie
electrostatic, sau orice alt for.
ns, adevrata problem a acestei explicaii este idea c orbitele electronilor sunt circulare. Faptul c
sarcinile electrice accelerate emit radiaie electromagnetic se tie nc de pe vremea lui Rutherford, iar acest lucru
se poate dovedi pe cale experimental. Din moment ce micarea orbital este o form de acceleraie (corpul ce
orbiteaz este ntr-o acceleraie constant fa de micarea normal, liniar), electronii aflai n stare de orbitare ar
trebui s arunce radiaie precum o roat aflat n noroi. Dac electronii ar pierde energie n acest mod, acetia s-ar
-
13
apropia din ce n ce mai mult de nucleu, rezultatul fiind o coliziune cu nucleul pozitiv. Totui, acest lucru nu se
ntmpl n general n atomi. ntr-adevr, orbitele electronilor sunt extrem de stabile.
Spectrul luminii emis de ctre atomi
Mai mult dect att, experimentele cu atomi excitai au demonstrat c energia electromagnetic emis de
un atom posed doar anumite frecvene specifice. Atomii excitai de influene externe, precum lumina, absorb
aceast energie i emit unde electromagnetice de frecvene specifice. Cnd energia emis de un atom este
descompus n frecvenele sale (culori) cu ajutorul unei prisme, spectrul culorilor este compus din linii distincte,
acestea fiind unice elementului respectiv. Acest fenomen este n general folosit pentru identificarea elementelor
atomice, i chiar i pentru determinarea proporiilor fiecrui element dintr-o compoziie chimic. Conform
modelului lui Rutherford i a legilor fizicii clasice, domeniul frecvenelor acestor atomi excitai ar trebui s fie
practic nelimitat. Cu alte cuvinte, dac modelul lui Rutherford ar fi fost corect, spectrul luminii emise de oricare
atom ar aprea ca o band continu de culori i nu doar sub forma ctorva linii distincte.
Orbitalii
Niels Bohr a ncercat s mbunteasc modelului lui Rutherford dup ce a studiat o perioad de cteva
luni n laboratorul acestuia n 1912. ncercnd s armonizeze i descoperirile celorlali fizicieni, precum Max Plank
i Albert Einstein, Bohr a sugerat c fiecare electron posed o anumit energie specific, iar orbitele lor sunt
cuantificate
Dualismul corpuscul-und
, astfel c fiecare dintre electroni poate ocupa doar anumite locuri n jurul nucleului. Pentru a scpa de
implicaiile micrii electronilor datorit legilor electromagnetismului i a particulelor accelerate, Bohr a considerat
aceste orbite (orbitali) ca fiind staionare.
Cu toate c ncercarea lui Bohr de reconstruire a structurii atomului n termeni ct mai apropiai de
rezultatele experimentale, a constituit un pas foarte important pentru fizic, acesta nu a fost totui complet.
Analizele sale matematice au condus la predicii mult mai bune a evenimentelor experimentale dect modelele
precedente ale atomului, dar cteva ntrebri despre modul ciudat al comportamentului electronilor nc nu i
gsiser rspunsul. Susinerea faptului c electronii existau n stri staionare i cuantificate n jurul nucleului era un
pas nainte, dar motivul pentru care electronii se comportau astfel nu era nc cunoscut. Rspunsul acestor ntrebri
avea s-l dea un alt fizician, Louis de Broglie, cu aproximativ zece ani mai trziu.
De Broglie a propus c electronii, precum fotonii (particule de lumin), manifest att proprieti ale
particulelor ct i proprieti ale undelor. Bazndu-se pe aceast interpretare, acesta a sugerat c o analiz a
-
14
orbitalilor electronilor din punct de vedere al undelor i nu al particulelor, ar rspunde mai multor ntrebri legate
de natura lor. ntr-adevr, acesta a reprezentat un nou pas n dezvoltarea unui model al atomului.
Ipoteza lui de Broglie a fcut posibil introducerea suportului matematic i analogiilor fizice pentru strile
cuantificate ale electronilor dintr-un atom, dar nici modelul acestuia nu era complet. n decurs de civa ani ns,
fizicienii Werner Heisenberg i Erwin Schrdinger, fiecare lucrnd individual, au creat un model matematic mult
mai riguros pentru particulele subatomice, plecnd de la conceptul dualitii und-particul a lui de Broglie.
Principiul incertitudinii al lui Heisenberg
Avansul teoretic de la modelul staionar al undei propus de de Broglie la modelul matricial al lui
Heisenberg la ecuaiile difereniale ale lui Schrdinger, este cunoscut sub numele de mecanic cuantic i introduce
o caracteristic aparent ocant a lumii particulelor subatomice, i anume probabilitatea sau incertitudinea. Conform
teoriei mecanicii cuantice, poziia exact i momentul exact al particulelor sunt imposibil de determinat n acelai
timp
Norii electronici
. Explicaia acestui principiu al incertitudinii const ntr-o eroare de msur cauzat de obicei de procesul de
msurare, i anume, prin ncercarea de msurare exact a poziiei unui electron, are loc o interferen cu momentul
acestuia i prin urmare nu putem tii care a fost momentul acestuia nainte de efectuarea msurtorii, i invers.
Implicaia surprinztoare a mecanicii cuantice este c particulele nu au de fapt o poziie i un moment precis, ci
aceste dou cantiti sunt echilibrate astfel nct incertitudinea lor combinat nu scade niciodat sub o anumit
valoare minim.
Valoarea minim a incertitudinii poziiei i momentului unei particule, exprimat de Heisenberg i
Schrdinger, nu are nimic de a face cu aparatele de msur neperformante, ci este o proprietate intrinsec a
dualitii und-particul. Prin urmare, electronii nu exist n orbitele lor ca i buci de materie precis delimitate,
i nici mcar sub form de unde bine delimitate, ci sub form de nori cu o distribuie
Numerele cuantice
de probabiliti, ca i cum
fiecare electron ar fi mprtiat pe o suprafa mare de poziii i momente.
Poziia radical conform creia, electronii existau sub form de nori, prea s vin n contradicie cu
principiile originale ale strilor cuantificate ale electronilor: faptul c electronii exist sub forma orbitelor discrete
i bine definite n jurul nucleului atomului. Aceast din urm explicaie a fost cea care a constituit, pn la urm,
punctul de plecare al mecanicii cuantice. Totui, comportamentul cuantic al electronilor nu depinde de o anumit
poziie i moment, ci depinde de cu totul alt proprietate, numerele cuantice. Pe scurt, mecanica cuantic nltur
-
15
noiunile clasice de poziie i moment absolut nlocuindu-le pe acestea cu noiuni ce nu au nicio analogie n viaa
real.
Cu toate c electronii exist sub form de nori cu probabiliti distribuite i nu sub form de materie
discret, aceti nori au unele caracteristicei ce sunt discrete. Oricare electron dintr-un atom poate fi descris de patru
numere cuantice
Numrul cuantic principal
, i anume: numr cuantic principal, orbital, magnetic i de spin. Toate aceste numere luate
mpreun determin starea unui electron la un moment dat.
Simbolizat prin litera n, acest numr descrie stratul pe care se afl un electron
Astfel, primul strat (n=1) poate fi ocupat de doar 2 electroni, cel de al doilea strat (n=2) de 8 electroni, al
treilea (n=3) de 18 electroni.
. nveliul electronic este un
spaiu din jurul nucleului atomului, format din straturi, ce determin poziiile n care electronii pot exista. Electronii
se pot deplasa de pe un strat pe altul, dar nu pot exista n regiunile dintre straturi.
Numrul cuantic principal al electronului este un numr ntreg pozitiv (1, 2, 3, 4...). astfel, fiecare electron
poate exista pe unul dintre aceste straturi, n funcia de componena atomului. Aceste valori nu au fost alese arbitrar,
ci ca urmare a experimentelor cu spectre de lumin: diferitele frecvene ale luminii emise de atomii de hidrogen
excitai, urmeaz o secven matematic ce depinde de anumite valori ntregi.
Fiecare strat poate susine mai muli electroni. O analogie a acestei aezri poate fi imaginat dac lum n
considerare un amfiteatru. Fiecare persoan trebuie s aleag un rnd n care s se aeze (nu se poate aeza ntre
rnduri); la fel, fiecare electron trebuie s aleag un anumit strat n care s se aeze. Ca i n cazul
amfiteatrelor, stratul exterior poate susine mai muli electroni dect stratul interior, din apropierea nucleului. De
asemenea, electronii tind s se aeze pe cel mai de jos strat disponibil, la fel cum ntr-un amfiteatru, oamenii
caut s se aeze ct mai aproape de scen (n primul rnd). Cu ct numrul stratului (numrul cuantic principal, n)
este mai mare, cu att energia electronilor ce-l ocup este mai mare.
Numrul maxim de electroni dintr-un strat este descris de urmtoarea ecuaie:
Straturile electronice (de la
electron) ale unui atom au fost
notate cu litere nu cu cifre.
Primul strat (n=1) se noteaz
cu litera K, al doilea (n=2) cu
L, al treilea (n=3) cu M, al
patrulea (n=4) cu M, al cincilea
-
16
(n=5) cu O, al aselea (n=6) cu P i al aptelea (n=7) cu Q.
Numrul cuantic orbital
Fiecare strat este compus din substraturi
Primul substrat are forma unei
sfere, dac l privim sub forma
unui nor de electroni ce
nvelete tridimensional
nucleul atomic. Cel de al doilea
substrat ns, este compus din
doi lobi conectai mpreun
ntr-un singur punct n
apropierea centrului atomului. Al treilea substrat este format dintr-un set de patru lobi aranjai n jurul nucleului.
Numrul orbital este un numr ntreg, la fel ca i numrul principal, doar c include i zero. Aceste numere
sunt simbolizate prin intermediul literei l.
. Substraturile sunt regiuni spaiale ce descriu locul n care pot
exista nori electronici iar forma lor este diferit de la un substrat la altul.
Numrul substraturilor dintr-un strat este egal cu numrul cuantic orbital
Astfel, primul strat (n=1) are un substrat, numerotat cu 0; al doilea strat (n=2) are dou substraturi, 0 i 1; al
treilea strat (n=3) are trei substraturi, 0,1 i 2. O alt convenie, foarte des ntlnit, este numerotarea substraturilor
prin s (l=0), p (l=1), d (l=2) i f (l=3)
.
Numrul cuantic magnetic
Numrul cuantic magnetic al unui electron determin orientarea formei substratului. Lobii substraturilor
pot fi orientai n mai multe direcii. Aceste orientrii diferite poart numele de orbitali. Primul substrat (s; l=0) este
-
17
o sfer fr posibilitatea de existen a unei direcii, prin urmare, n acest caz, avem doar un orbital. Pentru al doilea
substrat (p; l=1) din fiecare strat, lobii acestora pot avea trei direcii diferite.
Simbolul numrului magnetic este ml
Numrul cuantic de spin
. Pentru a calcula numrul de orbitali din fiecare strat, utilizm
urmtoarea formul:
De exemplu, primul substrat (l=0) al oricrui strat, conine un singur orbital, numerotat cu 0; al doilea
substrat (l=1) al oricrui strat conine trei orbitali, -1, 0, 1; al treilea substrat (l=2) conine cinci orbitali, numerotai
cu -2, -1, 0, 1 i 2; etc.
Proprietatea de spin a electronilor a fost descoperit pe cale experimental. O observaie mai atent a
liniilor spectrale a reliefat faptul c fiecare linie este de fapt o pereche de linii foarte apropiate una de cealalt,
ipoteza fiind c aceast structur este rezultatul spin-ului fiecrui electron n jurul propriei sale axe. Atunci cnd
sunt excitai, electronii cu spin diferit vor emite energie sub frecvene diferite.
Numrul de spin este simbolizat prin ms
Principiul de excluziune al lui Pauli
. n fiecare orbital, din fiecare substrat al fiecrui strat, pot exista
doi electroni, unul cu spin +1/2, iar cellalt cu spin -1/2.
Explicarea aezrii electronilor n atom cu ajutorul acestor numere cuantice poart numele de principiul de
excluziune al lui Pauli. Acest principiu spune c, n acelai atom, nu pot exista doi electroni care s ocupe exact
aceleai stri cuantice
Notaia spectroscopic
. Cu alte cuvinte, fiecare electron al unui atom posed un set unic de numere cuantice. Acest
lucru impune o limit a numrului de electroni ce pot ocupa orice orbital, substrat sau strat.
O metod practic i des ntlnit de descriere a acestui aranjament const n scrierea electronilor n funcie
de straturile i substraturile ocupate
Structura atomului de Hidrogen
; aceast convenie port numele de notaia spectroscopic. Sub aceast notaie,
numrul stratului este un numr ntreg pozitiv, substratul este o liter (s, p, d, f), iar numrul total de electroni dintr-
un substrat (toi orbitalii i spinii inclui) este reprezentat printr-un indice superior.
-
18
Alturat prezentat aranjamentul electronic al
atomului de hidrogen.
Cu nucleul format dintr-un singur proton, este
suficient un electron pentru ca atomul s
ating echilibrul electrostatic (sarcina
electric pozitiv a protonului este n
echilibru cu sarcina electric negativ a
electronului). Acest electron ocup stratul cel mai de jos (n=1), primul substrat (l=1), n singurul orbital (orientarea
spaial) al acelui substrat (ml=0), cu un spin de 1/2. Folosind notaia spectroscopic, hidrogenul, avnd doar un
singur electron n stratul inferior, se poate descrie prin notaia 1s1
Structura atomului de Heliu
.
Trecnd la urmtorul atom (n ordinea
numrului atomic), avem elementul heliu.
Nucleul unui atom de heliu are n compoziia
sa doi protoni, iar acest lucru necesit
existena a doi electroni pentru a echilibra
sarcina electric total a atomului. Din
moment ce ambii electroni, unul cu spin 1/2,
cellalt cu spin -1/2, ncap pe un singur
orbital, configuraia atomului de Heliu nu
necesit substraturi sau straturi suplimentare pentru cel de al doilea electron.
Totui, un atom ce conine trei sau mai muli electroni, va necesita substraturi adiionale pentru toi acei
electroni, din moment ce pe stratul inferior (n=1) ncap doar doi electroni.
Structura atomului de Litiu
S considerm urmtorul atom, cel de litiu.
Un atom de litiu folosete doar o fraciune din
capacitatea stratului L (n=2), capacitatea
total a acestuia fiind de opt electroni
(capacitatea maxim a stratului = 2n2
, unde n
este numrul stratului).
-
19
Structura atomului de Neon
Dac examinm aranjamentul electronic al unui
atom cu stratul L completat, putem vedea cum toate
combinaiile de substraturi, orbitali i spini sunt
ocupate de electroni. Elementul ce corespunde
acestei configuraii este Neonul.
Observaii
Adesea, atunci cnd se folosete notaia spectroscopic a unui atom, toate straturile ce sunt ocupate complet
sunt ignorate, fiind scrise doar straturile neocupate sau stratul ocupat superior. De exemplu, neonul (prezentat mai
sus), ce are dou straturi complet ocupate, poate fi descris pur i simplu prin 2p6 n loc de 1s22s22p6. Litiul, avnd
stratul K complet ocupat, i doar un singur electron n stratul L, poate fi descris prin notaia 2s1 n loc de 1s22s1.
Ignorarea straturilor inferioare, complet ocupate, nu este doar o convenie de scriere, ci ilustreaz foarte
bine un principiu de baz al chimiei: comportamentul chimic al unui element este determinat n primul rnd de
straturile sale neocupate. Att hidrogenul ct i litiul posed un singur electron n straturile superioare (1s1 i 2s1
Elemente nobile
),
iar acest lucru se traduce printr-un comportament similar al celor dou elemente. Ambele elemente sunt reactive, i
au o reactivitate similar. Conteaz mai puin faptul c litiul posed un strat complet (K) n plus fa de hidrogen.
Comportamentul su chimic este determinat de stratul su neocupat, L.
Elementele a cror straturi superioare sunt ocupate complet, sunt clasificate ca elemente nobile, fiind
aproape non-reactive fa de celelalte elemente. Aceste elemente au fost clasificate n trecut ca inerte, crezndu-se
c sunt complet non-reactive, dar acestea pot forma compui cu alte elemente n condiii specifice.
-
20
02. Valena i structura cristalin
Atomii ncearc s-i completeze stratul exterior, de valen, cu toi cei 8 electroni (2 electroni pentru
stratul inferior). Atomii pot dona, accepta sau mpri electroni pentru a completa un strat
Atomii formeaz adesea structuri ordonate i rigide denumite
Un
cristale
ion pozitiv
Un
se formeaz prin cedarea unui electron de ctre un atom neutru
ion negativ
Elementele semiconductoare din grupa IVA, C, Si i Ge au o structur cristalin de tip diamant. Fiecare
atom al cristalului este parte a unei molecule gigantice, formnd legturi cu ali patru atomi
se formeaz prin acceptarea unui electron de ctre un atom neutru
Majoritatea dispozitivelor semiconductoare sunt confecionate din
Electronii de valen
monocristale
Electronii din stratul exterior, sau stratul de valen
Formarea ionilor i a moleculelor
, sunt cunoscui sub numele de electroni de valen.
Aceti electroni sunt responsabil de proprietile chimice ale elementelor. Acetia sunt electronii ce particip la
reaciile chimice cu celelalte elemente.
Conform unei reguli chimice simplificate, aplicabil reaciilor simple, atomii ncearc s-i completeze
toate locurile libere ale stratului exterior cu electroni
Ioni pozitivi
. Atomii pot ceda civa electroni pentru a descoperi un strat
complet, sau pot accepta civa electroni pentru a completa ultimul strat (stratul exterior). Ambele procese duc la
formarea ionilor. Atomii pot chiar s mpart electroni ntre ei n ncercarea de completare a stratului exterior,
ducnd la formarea legturilor moleculare, adic, atomii se asociaz pentru formarea unei molecule.
De exemplu, elementele din grupa
I din tabelul periodic, Li, Na, K,
Cu, Ag i Au au doar un singur
electron de valen (numrul de
electroni de pe ultimul strat). Toate
aceste elemente posed proprieti
chimice similare. Aceti atomi cedeaz un electron pentru a reaciona cu alte elemente, iar aceast proprietate face
ca aceste elemente s fie conductoare excelente de electricitate. Cedarea electronilor de ctre atomi duce la
formarea ionilor pozitivi
-
21
Ioni negativi
Elementele din grupa VIIA, Fl, Cl
i BR, au toate cte 7 electroni n
stratul exterior (stratul de valen).
Aceste elemente accept un
electron
Definiia ionului
pentru completarea
stratului de valen la 8 electroni.
n cazul n care aceste elemente accept un electron, ele formeaz ioni negativi. Din moment ce nu cedeaz
electroni, aceste elemente sunt foarte buni izolatori electrici.
De exemplu, un atom de Cl accept un
electron al unui atom de Na devenind ion
negativ Cl-, iar atomul de Na devine ion
pozitiv, Na+. Un ion este un atom, molecul
sau grupare de atomi care are un exces de sarcin electric pozitiv sau negativ. Acesta este modul n care Na i Cl
se combin pentru formarea NaCl, sarea de mas, care este de fapt o pereche de ioni, Na+Cl-
Exemple
. Fiindc sarcinile celor
doi ioni sunt de semn contrar, cei doi se atrag reciproc.
Elementele din grupa a VIIIA
Elementele din
, He, Ne, Ar, Kr
i Xe au toate cte 8 electroni pe stratul de
valen. Acest lucru nseamn c aceste
elemente nici nu doneaz dar nici nu accept
electroni, ne-participnd la reacii chimice cu
alte elemente. Toate sunt izolatori electrici i se gsesc sub form de gaz la temperatura camerei.
grupa IVA, C, Si i Ge au toate
cte 4 electroni n stratul de valen. Aceste
elemente formeaz compui cu alte elemente,
dar nu formeaz ioni. Acest tip de legtur este
cunoscut sub numele de legtur covalent.
Se poate observa c atomul din centru are
-
22
completat stratul de valen prin punerea n comun a electronilor atomilor. Figura de mai jos este o reprezentare
bidimensional a unui aranjament tridimensional. Elementele din aceast grup prezint proprietile
semiconductoare pe care le vom studia n continuare.
Structura cristalin
Majoritatea substanelor anorganice formeaz o structur ordonat denumit cristal atunci cnd se formeaz
legturi ntre atomii sau ionii acestora
Majoritatea metalelor sunt moi i uor deformabile pe cale industrial. n timpul prelucrrii, microcristalele
sunt deformate, iar electronii de valen sunt liberi s se deplaseze prin reeaua cristalin, i de la cristal la cristal.
Electronii de valen nu aparin unui atom anume, ci tuturor atomilor.
. Chiar i metalele sunt compuse din cristale, la nivel microscopic. Practic
ns, toate metalele industriale au o structur policristalin, n afar de materialele semiconductoare ce sunt
monocristaline.
Structura cristalin rigid a NaCl prezentat n figura alturat, este compus dintr-
o structur regulat repetitiv format din ioni pozitivi de Na i ioni negativ de Cl.
Odat ce atomii de Na i Cl formeaz ionii de Na+ i Cl- prin transferul unui
electron de la Na la Cl, fr existena electronilor liberi, electronii nu sunt liberi s
se deplaseze prin reeaua cristalin, o diferena mare fa de metale. Nici ionii nu
sunt liberi. Ionii sunt liberi s se deplaseze doar dac NaCl este dizolvata n ap,
dar n acest caz, cristalul nu mai exist. Materialele ionice formeaz structuri
cristaline datorit atraciei electrostatice puternice dintre ionii ncrcai cu sarcini opuse
Materialele semiconductoare
.
Materialele semiconductoare din grupa IV (C, Si, Ge), formeaz de asemenea cristale. Fiecare atom
formeaz o legtur chimic covalent cu ali patru atomi. Cristalul format este practic o singur molecul.
Structura cristalin este relativ rigid i rezist deformaiilor. Exist un numr relativ mic de electroni liberi prin
cristal.
03. Benzi de energie
Pentru ndeprtarea unui electron din banda de valen spre o band neocupat, superioar, denumit band
de conducie, este nevoie de o anumit energie exterioar. Pentru deplasarea electronilor ntre straturi este
nevoie de o energie mai mare dect pentru deplasarea lor ntre substraturi.
-
23
Datorit faptului c banda de valen i cea de conducie se suprapun n cazul metalelor, energia necesar
pentru deplasarea unui electron este mic. Prin urmare, metalele sunt conductori de electricitate foarte buni
Spaiul foarte mare existent ntre banda de valen i cea de conducie n cazul materialelor izolatoare,
necesit o energie foarte mare pentru deplasarea electronilor ntre aceste benzi. Din aceast cauz, aceste
materiale sunt bune izolatoare i nu conduc electricitate
Materialele semiconductoare au un spaiu relativ mic ntre banda de valen i banda de conducie.
Semiconductorii puri nu sunt nici buni izolatori, nici buni conductori
Nivelele energetice
Fizica cuantic descrie starea electronilor dintr-un atom cu ajutorul celor patru numere cuantice. Aceste
numere descriu strile permise ale electronilor dintr-un atom.
La fel ca spectatorii dintr-un amfiteatru, ce se pot deplasa liberi ntre scaune i rnduri, i electronii i pot
modifica starea n cazul existenei unei energii suficiente i loc pentru deplasarea acestora. Din moment ce nivelul
stratului este strns legat de cantitatea de energie a unui electron, salturile ntre straturi (i chiar substraturi)
necesit un transfer de energie. Pentru ca un electron s se poat deplasa pe strat mai nalt, acesta are nevoie de
energie adiional dintr-o surs extern. Folosind analogia amfiteatrului, pentru a ajunge ntr-un rnd de scaune
superior, este nevoie de o energie din ce n ce mai mare, deoarece persoana trebuie s urce la o nlime tot mai
mare ce necesit nvingerea forei gravitaionale. De asemenea, dac un electron coboar pe un strat inferior, acesta
cedeaz energie. Aceste nivele poart numele de nivele energetice
Nu toate salturile sunt ns egale, cele dintre straturi necesit cel mai mare schimb de energie, pe cnd
salturile dintre substraturi sau dintre orbitali necesit un schimb de energie mai mic.
Benzile de energie
Cnd atomii se combin pentru
formarea substanelor, straturile,
substraturile i orbitalii exteriori
se combin ntre ei, ducnd la
creterea energiei disponibile
pentru electroni. Cnd un numr
foarte mare de atomi sunt foarte
aproape unul de cellalt, aceste
nivele de energie disponibile
formeaz o band de electroni aproape continu, band pe care electroni se pot deplasa cu uurin.
-
24
Electronii liberi
Limea acestor benzi i distana dintre ele determin mobilitatea electronilor n cazul aplicrii unui cmp
electric asupra lor. n substanele metalice, benzile libere se suprapun cu benzile ce conin electroni, ceea ce
nseamn c electronii unui singur atom se pot deplasa la un nivel energetic mai mare necesitnd foarte puin
energie extern sau chiar deloc. Astfel, electronii din stratul exterior
Cazul materialelor izolatoare
sunt cunoscui sub numele de electroni liberi i
se pot deplasa foarte uor dac sunt supui unui cmp electric exterior.
Suprapunerea benzilor nu are loc ns n toate
substanele, indiferent de numrul atomilor ce se
afl n proximitate. n cazul unor substane,
exist o distana considerabil ntre banda de
valen (nivelul energetic cel mai mare) i
urmtoarea band goal, denumit banda de
conducie
.
Prin urmare, electronii de valen sunt legai de atomii lor i nu pot deveni mobili n cadrul substanelor
fr ajutorul unei energii externe considerabile. Aceste substane formeaz materialele izolatoare (dielectrice).
Cazul materialelor semiconductoare
ns, materialele din categoria
semiconductorilor au o
distan energetic ngust
ntre benzile de valen i cele
de conducie. Astfel, cantitatea
de energie necesar pentru
trecerea electronilor de valen
n banda de conducie, de und
devin mobili, este destul de modest.
La temperaturi joase, energia termic disponibil pentru mpingerea electronilor de valen peste spaiul
dintre banda de valen i cea conducie este foarte mic, iar materialul semiconductor se comport precum un
-
25
izolator. La temperaturi nalte ns, energia termic devine suficient de mare pentru a fora electronii peste distana
energetic, iar materialul se va comporta precum un material conductor.
04. Electroni i goluri
Golurile reprezint absena electronilor din banda de valen
Materialele semiconductoare pure, cu un procent de 1 parte la 10 miliarde, nu sunt bune conductoare
Materialele semiconductoare de tip N sunt dopate cu o impuritate pentavalent pentru crearea electronilor
liberi. Un astfel de material este conductor, iar purttorii de sarcin majoritari sunt n acest caz electronii
Materialele semiconductoare de tip P sunt dopate cu o impuritate trivalent i duce la crearea unei
abundene de goluri n structura semiconductorului. Un astfel de material este conductor, iar purttorii de
sarcin majoritari sunt n acest caz golurile
Scop
Materialele semiconductoare pure sunt izolatori relativ buni, n comparaie cu metalele, dar nu sunt la fel de
bune precum sticla, de exemplu. Pentru a putea fi folosit n aplicaii cu semiconductori, materialul semiconductor
pur, nedopat, nu trebuie s conin mai mult de o impuritatea la 10 miliarde de atomi semiconductori. Acest lucru
este analog unei impuriti sub form de un fir de praf ntr-un sac de zahr. Materialele semiconductoare impure
sunt conductoare mult mai bune, dar nu la fel de bune precum metalele. De ce se ntmpl acest lucru? Pentru a
putea rspunde acestei ntrebri, trebuie s ne uitm la structura electronic a acestor materiale.
Structura electronic a semiconductorilor
n figura alturat (a), cei patru electroni din stratul
de valen a unui material semiconductor formeaz
legturi covalente cu ali patru atomi. Toi electronii
unui atom formeaz legturi covalente. Electronii nu
se pot deplasa liberi n structura cristalului.
Prin urmare, semiconductorii puri (intrinseci) sunt izolatori relativ buni n comparaie cu metalele. Energia
termic poate elibera ocazional un electron din structura cristalin a semiconductorului. Acest electron se poate
deplasa liber prin structura cristalului (electron liber). Cnd acest electron a fost eliberat cu ajutorul unei energii
exterioare, a lsat n urma lui un loc liber cu sarcin pozitiv n structura cristalului, sarcin cunoscut sub numele
-
26
de gol. Acest gol nu este nici el fix, ci se poate deplasa liber. Att electronul, ct i golul contribuie la conducia
electric a cristalului. Electronul este liber pn n moment n care cade ntr-un gol, proces cunoscut sub numele
de recombinare
Doparea materialelor semiconductoare
. Dac se aplic un cmp electric extern asupra semiconductorului, electronii i golurile se vor
deplasa n direcii opuse.
Creterea temperaturii duce le creterea numrului de electroni i goluri i la descreterea rezistenei. Acest
lucru este exact opus comportamentului metalelor, unde rezistena crete odat cu creterea temperaturii datorit
creterii coliziunilor dintre electroni i structura cristalin. Numrul de electroni i goluri ntr-un semiconductor
intrinsec este egal. Totui, viteza de deplasare ai celor doi purttori de sarcin (electroni i goluri) nu este egal la
aplicarea unui cmp electric extern. Cu alte cuvinte, mobilitatea celor doi purttori de sarcin nu este aceeai.
Materialele semiconductoare pure nu sunt foarte folositoare. Acestea trebuie s prezinte un nivel nalt de
puritate nainte de adugarea impuritilor specifice.
Materialele semiconductoare pure (1 parte la 10 miliarde), pot fi murdrite cu aproximativ 1 parte la 10
milioane pentru creterea numrului de purttori de sarcin. Adugarea unei impuriti precise
Impuritatea donoare de tip N
unui material
semiconductor este cunoscut sub numele de dopare. Doparea crete conductivitatea semiconductorului, pentru ca
acesta s se comporta mai mult ca un metal dect ca un izolator.
Creterea numrului sarcinilor electrice negative din structura cristalin a unui material semiconductor se
poate realiza prin doparea cu electroni a unui material donor precum fosforul. Materialele donatoare de electroni,
cunoscute i sub numele de materiale de tip N, includ elemente din grupa VA a tabelului periodic: N (azot), P
(fosfor), As (arsenic) i Sb (stibiu sau antimoniu). Azotul i fosforul sunt folosite ca dopani de tipul N pentru
diamant, iar fosforul, arsenicul i stibiul sunt folosite ca i dopani pentru siliciu.
Structura cristalin din figura
alturat conine atomi avnd
cte patru electroni n stratul de
valen, formnd cte patru
legturi covalente cu atomii
adiaceni.
Aceasta este structura anticipat a materialului semiconductor. Adugarea unui atom de fosfor cu cinci
electroni n stratul de valena introduce un electron suplimentar n structura materialului, n comparaie cu atomul
-
27
de siliciu (figura alturat (b)). Impuritatea pentavalent formeaz patru legturi covalente cu patru atomi de siliciu
cu ajutorul a patru electroni din cei cinci disponibili. Structura astfel format va dispune de un electron liber, rmas
de la atomul de fosfor, ce nu are o legtur foarte strns cu cristalul la fel cum au ceilali electroni de siliciu, fiind
liber s se deplaseze n cristal.
Din moment de am dopat semiconductorul cu un atom de fosfor la fiecare 10 milioane de atomi de siliciu,
exist relativ puini electroni liberi creai prin dopaj, dac facem o comparaie cu numrul de atomi de siliciu
prezeni n structur. Totui, dac facem o comparaie ntre numrul de electroni liberi ai materialului dopat cu
materialul pur, numrul de electroni liberi este relativ mare. Aplicarea unui cmp electric extern produce o
conducie electric puternic a materialului semiconductor dopat n banda de conducie. Un nivel de dopaj mai
ridicat, produce o conducie i mai puternic. Astfel, un material conductor cu o conductivitate sczut, a fost
transformat ntr-un material conductor destul de bun.
Impuritatea acceptoare de tip P
De asemenea, este posibil introducerea unei puriti cu trei electroni n stratul de valen, adic un electron
n minus fa de siliciu. Acest lucru duce la formarea unui gol, un purttor de sarcin pozitiv. Atomul de bor (B),
ce are trei electroni pe stratul de valen, ncearc s realizeze patru legturi covalente cu atomii de siliciu, iar pe
parcursul acestui proces, cei trei electroni se vor deplasa ncercnd s formeze aceste legturi (figura de mai sus
(c)). Acesta lucru duce la impresia c golul se deplaseaz. Mai mult, atomul trivalent de bor poate mprumuta un
electron de la un atom de siliciu adiacent (sau distant) pentru formarea celor patru legturi covalente. Dar acest
lucru nseamn 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 regsesc n banda de valen, cu un nivel mai jos dect banda de conducie. Doparea cu un
acceptor - un atom ce poate accepta un electron - creaz o deficien de electroni n structura materialului, sau un
exces de goluri
Deplasarea electronilor i a golurilor
(cele dou exprimri sunt echivalente). Din moment ce golurile sunt purttori de sarcin pozitiv,
un dopant acceptor de electroni poart 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) i In (indiu). Borul este folosit pe post de
dopant pentru siliciu i diamant, iar indiul pentru germaniu.
-
28
Exist o strns legtur, n analogia mrgelelor dintr-
un tub, ntre deplasarea golurilor i deplasarea
electronilor. Mrgelele reprezint electronii dintr-un
conductor. Deplasarea electronilor de la stnga la
dreapta ntr-un semiconductor de tip N se poate explica
astfel: electronul intr n tub prin partea stng i iese
prin partea dreapt. Deplasarea electronilor de tip N
are loc n banda de conducie. Putem compara aceast deplasare cu deplasarea golurilor n banda de valen.
Ceea ce trebuie neles este c electronii se deplaseaz n direcia contrar de deplasare a golurilor. Golurile
nu sunt altceva dect absena electronilor din banda de valen
Deplasarea electronilor (curent) ntr-un semiconductor de tip N este similar deplasrii electronilor dintr-un
conductor metalic. Atomii materialului dopant de tip N furnizeaz electroni pentru conducie. Aceti electroni
poart numele de
, avnd prin urmare o sarcin pozitiv, sarcin
datorat prezenei protonilor din nucleu, i de fapt aceasta este sarcina imaginar pe care o reprezentm cu
ajutorul golurilor.
purttori de sarcin majoritari
05. Jonciunea P-N
. Dac aplicm un cmp electric ntre dou puncte ale unui
material semiconductor, electronii intr prin partea negativ (-) a materialului, traverseaz structura acestuia i ies
prin partea dreapt (+), terminalul pozitiv al bateriei.
Jonciunile PN sunt fabricate dintr-o bucat mono-cristalin de material semiconductor i conin att
regiuni dopate cu materiale de tip P ct i regiuni dopate cu materiale de tip N, regiuni separate printr-o
jonciune
Transferul electronilor de la materialul de tip N spre golurile materialului de tip P, produce o barier de
potenial n jurul jonciuni. Valoarea acesteia este de 0,6-0,7 V pentru siliciu, dar poate varia n cazul altor
semiconductoare
Jonciunea PN polarizat direct, conduce curent electric
-
29
Jonciunea PN polarizat invers, nu conduce aproape deloc curent
Formarea jonciunii PN
Dou blocuri distincte de material semiconductor
Dac un bloc de material semiconductor de tip P este adus n
contact cu un bloc de material semiconductor de tip N (figura
alturat), rezultatul este nesatisfctor. Vom avea dou blocuri
conductoare aflate n contact unul cu cellalt, dar fr
proprieti unice. Problema const n existen a dou corpuri
cristaline distincte i separate. Numrul de electroni este
echilibrat de numrul de goluri n ambele blocuri. Astfel, niciunul dintre cele dou blocuri nu are o sarcin net
Utilizarea unui singur cristal semiconductor
.
Totui, dac un singur cristal semiconductor este confecionat
(dopat) cu un material de tip P la un capt, i un material de tip
N la cellalt capt, combinaia respectiv prezint unele
proprieti unice. n materialul de tip P, majoritatea purttorilor
de sarcin sunt goluri, acetia putndu-se deplasa liberi prin
structura cristalului. n materialul de tip N majoritatea
purttorilor de sarcin sunt electroni, i acetia putndu-se
deplasa liberi prin structura cristalului. n jurul jonciunii ns
(intersecia dintre cele dou tipuri de materiale), electronii
materialului N trec peste jonciune i se combin cu golurile din materialul P (figura alturat).
Regiunea materialului P din apropierea jonciunii capt o sarcin negativ datorit electronilor atrai, iar
regiunea materialului N din apropierea jonciunii capt o sarcin pozitiv datorit electronilor cedai. Stratul
subire al acestei structuri cristaline, dintre cele dou sarcini de semne contrare, va fi golit de majoritatea
purttorilor de sarcin, prin urmare, acesta este cunoscut sub numele de zona de golire
Bariera de potenial
, i devine un material
semiconductor pur, non-conductor. De fapt, aproape c avem un material izolator ce separ cele dou regiuni
conductive P i N.
-
30
Aceast separare de sarcini n jurul jonciunii P-N
Polarizarea direct a jonciunii PN
(zona de golire) constituie n fapt o barier de potenial.
Aceast barier de potenial trebuie s fie nvins de o surs de tensiune extern pentru a se putea comporta
precum un material conductor. Formarea jonciunii i a barierei de potenial are loc n timpul procesului de
fabricaie. nlimea barierei de potenial depinde de materialele folosite pentru fabricarea acestuia. Jonciunile
PN din siliciu au o barier de potenial mai ridicat dect jonciunile fabricate din germaniu.
n figura alturat , bateria este poziionat astfel nct
electronii s se deplaseze dinspre terminalul negativ nspre
materialul de tip N. Aceti electroni se adun n jurul jonciunii.
Terminalul pozitiv nltur electronii din materialul
semiconductor de tip P, ceea ce duce la crearea golurilor ce se
ndreapt i ele spre jonciune.
Dac tensiunea bateriei este suficient de mare pentru a depi potenialul jonciunii (0,6 V n cazul
siliciului), electronii materialului N i golurile materialului P se combin i se anihileaz reciproc. Acest lucru duce
la crearea unui spaiu liber n structura materialului ce poate susine o deplasare i mai mare de purttori de sarcin
spre jonciune. Astfel, curenii purttorilor de sarcin majoritari de tip N (electroni) i de tip P (goluri) se
deplaseaz nspre jonciune. Recombinarea ce are loc la jonciune permite curentului bateriei s se deplaseze prin
jonciunea PN a unei astfel de diode. n acest caz, spunem c o astfel de jonciune este polarizat direct.
Polarizarea invers a jonciunii PN
Dac polaritatea bateriei este inversat (figura alturat),
majoritatea purttorilor de sarcin vor fi atrai dinspre jonciune
spre terminalii bateriei. Terminalul pozitiv al bateriei atrage
purttorii de sarcin majoritari (electronii) ai materialului N, iar
terminalu negativ al bateriei atrage purttorii de sarcin
majoritari (golurile) ai materialului P.
Acest fapt duce la creterea grosimii zonei de golire non-conductive. Nu are loc nicio recombinare a
purttorilor de sarcin, prin urmare, nu are loc nicio conducie. n acest caz, spunem c jonciunea PN este
polarizat invers.
-
31
Ceea ce am creat mai sus prin doparea aceluiai cristal att cu material de tip N ct i cu material de tip P,
este o diod
06. Dioda
.
Definiia i simbolul diodei
Dup cum am precizat i n seciunea precedent, dioda este realizat
prin introducerea de impuriti de tip N i P n acelai cristal
semiconductor. Simbolul schematic al diodei este prezentat n figura
alturat (b), i corespunde semiconductorului dopat de la (a). Dioda
este un dispozitiv unidirecional
Polarizarea direct a diodei
(vezi jonciunea PN). Deplasarea
electronilor se poate realiza doar ntr-o singur direcie, invers fa de
direcia sgeii, atunci cnd dioda (jonciunea PN) este polarizat direct.
Catodul, din reprezentarea diodei, reprezint semiconductorului de tip
N, iar anodul corespunde materialului dopat de tip P.
Dac dioda este polarizat direct, curentul crete foarte puin pe msur
ce tensiune crete de la 0 V. n cazul n care materialul semiconductor
din care este confecionat dioda este siliciu, curentul ncepe s creasc
doar dup ce tensiunea atinge valoarea de 0,6 V. Dac tensiunea crete
peste valoarea de 0,6 V, valoarea curentului crete foarte rapid. O
tensiune peste 0,7 V poate foarte uor s duc la distrugerea diodei.
Aceast tensiune de deschidere a diodei n jurul valorii de 0,6 V,
poart numele de tensiune de polarizare direct a diodei. Sub aceast
valoare, dioda este nchis, i nu exist curent pe la bornele acesteia.
Dei pentru siliciu tensiunea de polarizare direct este de 0,6-0,7 V, pentru germaniu aceasta este de 0,3 V,
iar pentru LED-uri de civa voli. Curentul ce strbate dioda la polarizarea direct poart numele de curent direct
Polarizarea invers a diodei
,
iar acesta poate lua valori cuprinse ntre civa mA, pn la sute sau mii de amperi pentru diodele de putere.
-
32
Dac dioda este polarizat invers, curentul invers va avea o valoarea foarte mic, care n condiiile cele mai
extreme poate ajunge la un maxim de 1 A (figura de mai sus, stnga). Valoarea acestui curent nu crete
semnificativ odat cu creterea tensiunii de polarizare invers, dect la atingerea punctului de strpungere. Cnd
punctul de strpungere este atins, curentul prin diod crete la o valoare att de mare, nct poate duce la distrugerea
diodei dac nu exist un rezistor serie pentru limitarea curentului prin diod. De obicei se alege o diod a crei
tensiune de strpungere
Curentul de dispersie
este mai mare dect valoarea tensiunilor aplicate la bornele sale. Diodele din siliciu au de
obicei tensiuni de strpungere de la 50, 100, 200, 400, 800 V sau chiar mai mare.
Am menionat mai sus c exist un curent de dispersie de sub un A, pentru diodele de siliciu, la
polarizarea invers. Explicaia const n faptul c energia termic produce cteva perechi de electroni-guri, ce duc
la apariia unui curent de dispersie pn la recombinare. Practic, acest curent previzibil este doar o parte a
curentului de dispersie total. O mare parte a acestui curent se datoreaz conduciei de suprafa datorit
impuritilor de la suprafaa conductorului. Ambele tipuri de cureni de dispersie cresc odat cu creterea
temperaturii. n cazul germaniului, curentul de dispersie este de cteva ori mai mare dect n cazul siliciului.
Dioda cu jonciune
Dei la nceput, cea mai folosit diod a fost
dioda cu contact punctiform (figura alturat
(a)), majoritatea diodelor folosite astzi sunt
diode cu jonciune (figura alturat (b)). Dei
jonciunea PN din figur este puin mai
complex dect o jonciune normal, aceasta
este tot o jonciune PN.
Pornind de la catod, N+ indic faptul c aceast regiune este dopat puternic, i nu are legtur cu
polaritatea. Acest lucru reduce rezistena serie a diodei. Regiunea N-
Observaii
din nou, nu are nicio legtur cu polaritatea, ci
indic faptul c aceast regiune este mai puin dopat, ceea ce duce la o diod a crei tensiune de strpungere
invers este mult mai mare, lucru important pentru diodele de putere folosite n redresare.
-
33
Diodele de puteri mai mici, chiar i redresoarele de putere de tensiuni mai mici, vor avea pierderi de
polarizare direct mult mai mici datorit dopajului mai puternic. Cel mai mare nivel de dopaj este folosit pentru
diodele Zener, proiectate pentru tensiuni de strpungeri mici. Totui, un dopaj puternic duce la creterea curentului
invers de dispersie. Regiunea P+
07. Tranzistorul bipolar cu jonciune (BJT)
de la anod, reprezint un material semiconductor, puternic dopat, de tip P, o foarte
bun strategie pentru realizarea contactului. Diodele de jonciune mici, ncapsulate n sticl, pot conduce cureni de
ordinul zecilor sau sutelor de mA. Diodele de putere redresoare, ncapsulate n plastic sau ceramic, pot conduce
cureni de ordinul miilor de amperi.
Tranzistorii bipolari conduc curentul folosind ca purttori de sarcin att electroni ct i goluri n cadrul
aceluiai circuit. De aici i denumirea de bipolar
Funcionarea corect a unui tranzistor bipolar ca i amplificator de curent necesit polarizarea invers a
jonciunii colector-baz i polarizarea direct e jonciunii emitor-baz
Amplificarea n curent a tranzistorului este exprimat prin relaia =IC / IB
Scurt istoric
, iar valoarea ei este de la 100 la
300 pentru tranzistorii mici
Primul tranzistor bipolar a fost inventat la Bell Labs de ctre William Shockley, Walter Brattain, i John
Bardeen n 1948 (de fapt, 1947, dar invenia a fost publicat doar n 1948). Pentru aceast descoperire, cei trei au
fost recompensai cu premiul Nobel pentru fizic n anul 1956.
Definiia tranzistorului
Tranzistorul bipolar cu jonciune este un semiconductor format din trei straturi, dou de tip N i unul de tip
P (NPN). Contactele celor trei straturi poart numele de emitor i colector pentru semiconductorii de tip N, i baz
Structura tranzistorului
pentru semiconductorul de tip P. Configuraia este asemntoare unei diode, doar c mai exist un strat N n plus.
Stratul din mijloc ns, baza, trebuie s fie ct mai subire cu putin, fr a afecta suprafeele celorlalte dou
straturi, emitorul i colectorul.
-
34
Dispozitivul din figura de sus este format din dou jonciuni, una ntre emitor i baz, iar cealalt ntre baz
i colector, aceste jonciuni formnd dou zone de golire.
Polarizarea jonciunii baz-colector
n mod normal, jonciunea baz-colector a tranzistorului este polarizat invers
Polarizarea jonciunii emitor-baz
(b). Acest lucru duce la
creterea regiunii de golire. Aceast tensiune poate fi de civa voli pn la zeci de voli pentru majoritatea
tranzistorilor. n acest caz, nu exist curent n circuitul colectorului, exceptnd curentul de dispersie de o valoarea
foarte mic.
Putem aduga o surs de tensiune i n circuitul emitor-baz al
tranzistorului (figura alturat). n mod normal, jonciunea
emitor-baz este polarizat direct
, n ncercarea de depire a
barierei de potenial de aproximativ 0,6 V. Acest lucru este
similar polarizrii directe a jonciunii diodei. Tensiunea acestei
surse trebuie s depeasc valoarea de 0,6 V pentru ca
majoritatea purttorilor de sarcin (electroni pentru NPN) s
treac din emitor spre baz, devenind purttori de sarcin
minoritari n semiconductorul de tip P.
Dac regiunea bazei ar fi mult mai mare, ca i n cazul poziionrii spate-n-spate a dou diode, tot curentul
ce intr n baz prin emitor, ar iei prin contactul bazei spre borna pozitiv a bateriei.
-
35
Totui, tranzistoarele sunt confecionate cu o baz foarte subire.
O mic parte a purttorilor de sarcin majoritari din emitor,
injectai ca i purttori de sarcin minoritari n baz, se
recombin cu golurile acesteia (figura alturat). De asemenea,
o mic parte a electronilor ce intr n baz pe la emitor trec
direct prin baz spre borna pozitiv a bateriei. Dar majoritatea
curentului din emitor trece prin suprafa subire a bazei direct
n colector. Mai mult, modificarea curentului mic al bazei duce
la modificri importante ale curentului din colector. Dac
tensiunea bazei scade sub aproximativ 0.6 V, curentul emitor-
colector scade la zero.
Explicaie
S privim ns mai ndeaproape la acest mecanism de amplificare al curentului. Considerm o jonciune
NPN mrit, cu accentul pus pe baz. Chiar dac nu sunt prezentate n figur, presupunem c jonciunea emitor-
baz este polarizat direct de o surs de tensiune, iar jonciunea baz-colector este polarizat invers. Electronii,
purttorii de sarcin majoritari, intr n emitor de la borna negativ a bateriei. Deplasarea electronilor dinspre baz
corespunde cu deplasarea acestor dinspre baz spre borna pozitiv a bateriei. Acesta este un curent foarte mic fa
de curentul din emitor.
Majoritatea purttorilor de sarcin n emitorul de tip N sunt electronii, ce devin purttori de sarcin
minoritar la intrarea n baza de tip P. Aceti electroni au patru posibiliti dup ce intr n baza de tip P. O mic
parte cad n goluri (figura de sus (a)), lucru ce contribuie la curentul nspre terminalul pozitiv al bateriei. Dei nu
este reprezentat pe figur, golurile pot trece din baz spre emitor, unde se recombin cu electronii, contribuind i
acetia la curentul bazei. O alt mic parte din electroni (b) trec direct prin baz nspre terminalul pozitiv al bateriei,
ca i cum baza ar fi un rezistor. Att (a) ct i (b) contribuie curentului foarte mic al bazei. Curentul bazei este
-
36
aproximativ 1% din curentul emitor-colector, pentru tranzistoarele mici. Majoritatea electronilor din emitor ns (c),
trec direct prin zona ngust de golire, nspre colector.
Putem observa polaritatea zonei de golire ce nconjoar electronul (d). Cmpul electric intens trage
electronul rapid n colector. Puterea cmpului electric este direct proporional cu tensiunea de alimentare a
bateriei. astfel, 99% din curentul emitorului trece n colector. Aceast trecere este ns controlat de curentul
bazei, ce reprezint aproximativ 1% din curentul emitorului. Acest lucru reprezint o amplificare de curent de 99,
reprezentat de raportul dintre curentul colectorului i curentul bazei (IC/IB
Eficiena emitorului
), cunoscut i ca .
Difuzia electronilor emitorului prin baz i nspre colector este posibil doar dac baza este foarte subire.
Ce s-ar ntmpla cu aceti purttori de sarcin dac baza ar fi de 100 de ori mai groas? Este foarte posibil ca
majoritatea dintre ei, 99% n loc de 1%, s cad n goluri, nemaiajungnd la colector. Prin urmare, curentul de baz
poate controla 99% din curentul emitorului, doar dac 99% din curentul emitorului trece nspre colector. Dac
ntreg curentul iese pe la baz, controlul nu este posibil.
Un alt motiv pentru care 99% dintre electroni trec din emitor, peste bariera de potenial i n colector, este
c jonciunile bipolare reale folosesc un emitor mic dopat puternic. Concentraia mare a electronilor din emitor
foreaz trecerea acestora n baz. Concentraia mic a dopajului din baz nseamn c exist mult mai puine goluri
ce trec n emitor (lucru ce doar ar crete curentul bazei). Difuzia purttorilor de sarcin dintre emitor spre baz, este
puternic favorizat.
Faptul c baza este subire iar emitorul puternic dopat, in foarte sus eficiena emitorului, 99% de exemplu.
Acest lucru corespunde ramificaiei curentului emitorului de 100% n 1% baz i 99% colector. Eficien emitorului
se exprim astfel:
Jonciunea PNP
-
37
Tranzistoarele bipolare pot fi confecionate i sub forma PNP. Diferena dintre PNP i NPN poate fi vzut
n figura de sus.
Diferena const n polaritatea jonciunilor baz-emitor, polaritate semnalat cu ajutorul sgeii emitorului
n simbolul tranzistorului. Direcia sgeii este asemenea direciei anodului jonciunii unei diode, mpotriva sensului
real de deplasare al electronilor. Pentru tranzistorii NPN, direcia sgeii este dinspre baz spre emitor, iar n cazul
tranzistorilor PNP, direcia este dinspre emitor spre baz. Colectorul nu este reprezentat n niciunul dintre cazuri cu
ajutorul vreunei sgei. Totui, polaritatea jonciunii baz-colector este aceeai cu polaritatea jonciunii baz-emitor
n comparaie cu o diod.
Structura
Emitorul tranzistorului bipolar
cu jonciune de mai jos este
puternic dopat, dup cum
indic i notaia N+
. Baza are
un nivel de dopaj P normal, dar
aceasta este mult mai subire n
realitate dect este prezentat n
aceast figur (a).
Procentul de dopaj al colectorului este sczut, dup cum indic notaia N-, pentru ca tensiunea de
strpungere a jonciunii colector-baz s fie ct mai mare, ceea ce nseamn c sursa de tensiune poate alimenta
tranzistorul la tensiuni mai mari. Tranzistoarele de siliciu mici, au o tensiune de strpungere de 60-80 V, dar aceasta
poate ajunge la sute de voli pentru tranzistoarele de tensiune nalt. Dar, colectorul trebuie s fie n acelai timp
dopat puternic pentru minimizarea pierderilor ohmice (datorit rezistenelor), n cazul n care tranzistorul trebuie s
conduc cureni mari. ndeplinirea acestor cerine contradictorii se realizeaz prin doparea mai puternic a
-
38
colectorului spre partea de contact metalic, i doparea mai uoar a colectorului n apropierea bazei n comparaie
cu emitorul. Tensiunea de strpungere a jonciunii emitor-baz scade pn la aproximativ 7 V datorit doprii
puternice a emitorului, n cazul tranzistorilor mici. i tot datorit acestei dopri puternice, jonciunea emitor-baz se
comport precum o diod Zener polarizat invers.
Fabricarea mai multor tranzistoare pe acelai cip d natere unui circuit integrat
Observaie
, o reprezentare
aproximativ a acestuia este dat n figura de mai sus (c).
Calitatea tranzistorilor discrei de tip PNP este aproape la fel de bun precum cea a tranzistorilor NPN.
Totui, tranzistorii PNP integrai nu sunt la fel de buni precum cei de tipul NPN, prin urmare, circuitele integrate
folosesc tranzistori de tipul NPN n marea lor majoritate.
08. Tranzistorul cu efect de cmp (FET)
Conducia canalului unui tranzistor (unipolar) cu efect de cmp (FET sau JFET) se datoreaz unui singur
tip de purttor de sarcin
Sursa, poarta i drena unui JFET corespund emitorului, bazei i colectorului unui tranzistor bipolar
Polarizarea invers a porii duce la variaia rezistenei canalului prin extinderea zonei de golire
Scurt istoric
Tranzistorul cu efect de cmp a fost propus de Julius Liliendfel n 1926 i 1933 sub form de patent.
Shockley, Brattain i Bardeen au investigat i ei tranzistorul cu efect de cmp n 1947, dar dificultile ntmpinate
n realizarea acestuia i-au dus n schimb la dezvoltarea tranzistorului bipolar. Teoria tranzistorului cu efect de cmp
a lui Shockley a fost publicat n 1952, dar tehnologia de procesare a materialelor nu era suficient de bine
dezvoltat, astfel c doar n anul 1960 s-a reuit fabricarea unui dispozitiv funcional de ctre John Atalla.
Definiie
-
39
Un tranzistor cu efect de cmp (FET - field effect
transistor), este un dispozitiv unipolar
, ceea ce
nseamn c existena curentului depinde de un singur
tip de purttori de sarcin. Dac dispozitivul se
bazeaz pe un material semiconductor de tip N,
purttorii de sarcin sunt electronii. Invers, pentru
unul de tip P, purttorii de sarcin sunt golurile.
Modul de funcionare
La nivelul circuitului, funcionarea tranzistorilor cu efect de cmp este simpl. O tensiune aplicat pe
poart, elementul de intrare, controleaz rezistena unei regiuni unipolare dintre surs i dren denumit canal; ntr-
un dispozitiv de tip N, aceast regiune este reprezentat de un material semiconductor dopat de tip N-, cu terminale
la ambele capete. Sursa i drena sunt terminale echivalente cu emitorul i colectorul ntr-un tranzistor bipolar. Cu
alte cuvinte, sursa este locul de plecare al purttorilor de sarcin, iar drena este locul nspre care acetia se
deplaseaz. Poarta este echivalent bazei tranzistorului bipolar, iar n cadrul unui dispozitiv de tip N, este
reprezentat de o regiune de tip P+
(dopat puternic) prezent pe ambele laturi i n jurul canalului din centrul
semiconductorului.
n figura de mai sus, este prezentat un tranzistor cu efect de cmp cu jonciune (JFET). Poarta constituie o
jonciune, i este polarizat invers pentru funcionarea corect a dispozitivului. Curentul dintre surs i dren poate
exista n ambele direcii.
-
40
n figura alturat este reprezentat zona de golire a jonciunii porii, datorit difuziei golurilor din regiunea
de tip P (poart) n regiunea de tip N (canal). Aceast difuzie duce la separarea purttorilor de sarcin n zona
jonciunii i o zon de golire non-conductiv la jonciune.
Grosimea zonei de golire poate fi crescut prin aplicarea unei tensiuni moderate de polarizare invers
(figura de mai sus(b)). Acest lucru duce la creterea rezistenei canalului surs-dren prin ngustarea acestuia.
Creterea n continuare a tensiunii de polarizare invers duce la creterea zonei de golire, scderea grosimii
canalului i creterea rezistenei acestuia (c). Peste un anumit nivel (d), tensiunea de polarizare invers, VGS va
bloca curentul prin canal, rezistena acestuia fiind foarte mare. Tensiunea de blocare, VP
Pentru valori mai mari ale tensiunii drenei, de ordinul zecilor de voli pentru dispozitive mici, polaritatea
alimentrii este cea prezentat n figura alturat (a). Atenie, n unele cri de specialitate, poarta (P) mai este
denumit i gril (G), sau cele dou notaii sunt folosite chiar concomitent. Am ales n aceast carte s rmnem la
denumirea de poart, iar aceasta este notat corespunztor pe desene cu P. n orice caz, cele dou exprimri sunt
echivalente.
Aceast surs de tensiune a drenei, ce nu este prezent n figurile precedente, distorsioneaz zona de golire,
mrind-o nspre partea drenei. Aceasta este o reprezentare mult mai corect o tensiunilor de curent continuu ale
drenei, de la civa voli la zeci de voli. Pe msur ce tensiunea dren-surs (U
este de civa voli n
majoritatea cazurilor. Pe scurt, rezistena canalului surs-dren poate fi controlat cu ajutorul valorii de polarizarea
invers a porii.
Sursa i drena sunt interschimbabile, ceea ce nseamn c exist posibilitatea deplasrii electronilor n
oricare dintre direcii pentru o tensiune mic a bateriei drenei (0,6 V). Cu alte cuvinte, bateria drenei poate fi
nlocuit cu o surs de tensiune sczut n curent alternativ.
DS) crete, zona de golire dinspre
dren crete spre aceast. Acest lucru duce i la creterea lungimii canalului, cu efecte asupra rezistenei (crete)
acestuia. Totui, aceast cretere a rezistenei datorat creterii lungimii canalului este foarte mic n comparaie cu
rezistena datorat polarizrii inverse a porii. n figura de mai sus (b) este prezentat i simbolul schematic al unui
tranzistor cu efect de cmp cu canal de tip N. Sgeata porii indic aceeai direcie ca i jonciunea diodei, i
corespunde regiunii de tip P. Celelalte dou extremiti (S i D), ce nu conin nicio direcie, corespund materialului
semiconductor de tip N.
-
41
n figura de mai sus este reprezentat i direcia curentului de la terminalul (-) a bateriei spre surs (S), apoi
spre dren (D) i nspre terminalul (+) al bateriei. Acest curent poate fi controlat prin variaia tensiunii de polarizare
invers a porii (P). O sarcin conectat n serie cu bateria vede o versiune amplificat a variaiei tensiunii de pe
poart.
Tranzistorul cu efect de cmp cu canal de tip P
Tranzistoarele cu efect de cmp pot fi realizate i cu canal de tip P, ceea ce nseamn c poarta este
realizat dintr-un material semiconductor dopat de tip N+
Confecionarea tranzistoarelor cu efect de cmp
(dopat puternic). Toate sursele de tensiune sunt inversate
ntr-un circuit cu JFET de tip P faa de cel cu canal de tip N (figura alturat (a)). Sgeata n acest caz este
ndreptat dinspre poart nspre sursa de polarizare invers (figura alturat (b)).
Modul de funcionare este asemntor tranzistorului cu efect de cmp cu canal de tip N prezentat mai sus.
Dispozitivele discrete sunt
confecionate conform figurii
alturate (a), iar circuitele integrate
cu tranzistoare cu efect de cmp,
sunt confecionate conform figurii
alturate (b).
Poarta este dopat puternic, P+, pentru obinerea unei zone de golire ct mai mari. Sursa i drena acestui
dispozitiv de tip N sunt i ele dopate puternic, N+, pentru obinerea unei rezistene de conexiune ct mai mici.
Totui, canalul din jurul porii este dopat uor, N-
Observaie
, pentru a permite trecerea golurilor dinspre poart nspre canal.
-
42
Curenia este absolut necesar n cazul producerii tranzistorilor cu efect de cmp. Dei este posibil
producerea tranzistorilor bipolari n afara unui spaiu perfect curat, nu acelai lucru se poate spune i despre cei cu
efect de cmp. Tranzistorul cu efect de cmp este mult mai simplu din punct de vedere conceptual dect cel bipolar,
dar este foarte greu de produs.
09. Tranzistorul cu efect de cmp cu poart izolat (MOSFET)
MOSFET-urile sunt dispozitive unipolare, precum FET-urile sau BJT-urile
MOSFET-ul este un dispozitiv controlat n tensiune, precum FET-ul. O tensiune de intrare pe poart
controleaz curentul dinspre surs spre dren
Poarta MOSFET-ului nu necesit prezena unui curent n timpul funcionrii, ci doar prezena unui curent
iniial pentru ncrcarea condensatorului
Definiie
Tranzistorul cu efect de cmp cu poart izolat (IGFET), cunoscut i sub numele de tranzistor cu efect de
cmp cu metal oxid (MOSFET), este un dispozitiv derivat al tranzistorului cu efect de cmp (FET). n prezent,
majoritatea tranzistorilor folosii n circuitele integrate sunt de acest tip, cu toate c tranzistorii bipolari cu jonciune
(BJT) discrei sunt mult mai numeroi dect dispozitivele discrete de tip MOSFET. Numrul de tranzistori
MOSFET dintr-un circuit integrat poate ajunge la cteva sute de milioane. Dimensiunea unui MOSFET individual
este sub un micron.
Structura i modul de funcionare
Sursa, poarta i drena sunt asemntoare cu cele de la FET-uri. Totui, contactul porii nu realizeaz o
conexiune direct cu materialul semiconductor, cum era cazul FET-urilor. Poarta unui MOSFET reprezint un strat
-
43
metalic sau de poli-siliciu aezat peste un strat de dioxid de siliciu (SiO2
Polarizarea direct
) izolator. Poarta seamn foarte mult cu un
condensator de tip MOS.
La polarizare, polaritatea armturilor condensatorului va deveni cea a terminalilor bateriei. Armtura
inferioar, de tip P formeaz un canal inversat datorit excesului de electroni din apropierea oxidului format prin
respingerea electronilor terminalului negativ al bateriei nspre oxid i atragerea acestora spre armtura pozitiv.
Acest canal duce i la formare unei zone de golire ce izoleaz canalul de restul substratului de siliciu.
n figura alturat, un condensator de tip MOS este plasat ntre o pereche de material semiconductor de tip
N aflat ntr-un substrat de tip P. Cnd nu exist sarcin pe condensator (a), poarta nu este polarizat, iar sursa,
drena i cele dou regiuni de tip N rmn izolate din punct de vedere electric.
Aplicarea unei polarizri directe duce la ncrcarea condensatorului (porii) (figura de mai sus (b)). Poarta
de deasupra stratului de oxid se ncarc pozitiv de la baterie. Substratul de tip P de sub poart se ncarc negativ.
Sub poarta oxidului se va forma o regiune inversat cu un exces de electroni. Aceast regiune conecteaz sursa i
drena de tip N, formnd o regiune continu de tip N ntre cele dou. astfel, MOSFET-u l, ca i FET-ul, este un
dispozitiv unipolar. Doar un singur tip de purttor de sarcin este responsabil pentru conducie. Exemplul de mai
sus este un MOSFET cu canat de tip N. Conducia unui curent mare este posibil prin aplicarea unei tensiuni ntre
surs i dren. Un circuit practic ar avea conectat o sarcin n serie cu bateria drenei.
MOSFET-ul, ca i FET-ul, este un dispozitiv controlat n tensiune
Modul de confecionare
. O tensiune aplicat porii controleaz
curentul dinspre surs spre dren. Poarta nu necesit un curent permanent, ci are nevoie doar de un curent iniial
pentru ncrcarea condensatorului porii.
-
44
Seciunea transversal a unui MOSFET de
tip N este prezentat n figura alturat (a).
Sursa i drena sunt dopate puternic, N+,
pentru reducerea pierderilor rezistive
datorit curenilor dinspre surs spre
dren. N-
Alte variante ale MOSFET-ului
indic o regiune cu dopaj sczut.
Regiunea P de sub poart, aflat ntre surs
i dren, poate fi inversat prin aplicarea
unei tensiuni de polarizare direct. Simbolul MOSFET-ului este reprezentat n figura alturat (b).
MOSFET-urile sunt dispozitive cu patru terminale: surs, poart, dren i substrat. Substratul este conectat
la surs n cazul MOSFET-urilor discrete, astfel nct dispozitivul final are doar trei terminale. MOSFET-urile
realizate ntr-un circuit integrat au un substrat comun tuturor dispozitivelor. Aceast conexiune comun se regsete
de obicei la ieirea cipului i se conecteaz la mpmntare sau la o surs de tensiune.
O alt variant a MOSFET-ului, V-MOS,
este de fapt un MOSFET de putere
mbuntit, i este prezentat n figura
alturat. O alt variant, similar, U-
MOS, este mult mai uor de produs.
10. Tiristorul
Redresoarele controlate pe baz de siliciu (SCR) sunt cele mai des ntlnite dispozitive din familia
tiristoarelor
Pornirea conduciei SCR-ului se realizeaz prin aplicarea unui impuls pozitiv porii. Conducia continu
chiar i dup ce impulsul asupra porii nceteaz. Conducia poate fi oprit doar dac tensiunea dintre anod
i catod atinge valoarea zero
SCR sunt folosite de obicei cu surse de tensiune de curent alternativ (sau de curent continuu pulsatorii)
datorit conduciei continue
Un dispozitiv GTO poate fi oprit prin aplicarea unui puls negativ asupra porii
-
45
Definiie i clasificare
Tiristoarele reprezint o plaj larg de dispozitive semiconductoare bipolare folosind patru (sau mai multe)
straturi alternante N-P-N-P. n categoria tiristoarelor intr: redresoare controlate pe baz de siliciu (SCR), TRIAC-
uri, DIAC-uri, tiristoare tip GTO, tranzistoare uni-jonciune (UJT), tranzistoare uni-jonciune programabile (PUT).
Vom analiza aici doar SCR-ul, dei vom meniona i GTO-ul.
Tiristorul cu patru straturi a fost propus de Shockley n 1950, dei practic, acesta a fost construi muli ani
mai trziu de ctre General Electric. Puterile suportate de SCR ajung pn la ordinul MW.
Structura i modul de funcionare
Redresorul controlat pe baz de siliciu este o diod
cu patru straturi i o poart, asemenea figurii
alturate (a).
Dac este pornit, acesta se comport precum o
diod, pentru o singur polaritate a curentului. Dac
nu este pornit, nu conduce curent. Modul de
funcionare poate fi explicat cu ajutorul conexiunii
echivalente realizate din tranzistoare bipolare cu
jonciune din figura (b). Un semnal de pornire pozitiv este aplicat ntre poart i catod. Tranzistorul NPN echivalent
va ncepe s conduc curent ceea ce va duce i la declanarea conduciei tranzistorului PNP. n acest moment,
tranzistorul NPN va conduce curent chiar i n absena semnalului pe poart, Odat ce un dispozitiv SCR ncepe s
conduc, o va face atta timp ct este prezent o tensiune pe anod (infinit, n cazul circuitului cu baterie de mai
sus).
Modul de confecionare
Catodul unui SCR, ce corespunde emitorului
echivalent al tranzistorului NPN este puternic
dopat, N+. Anodul, ce corespunde emitorului
echivalent al tranzistorului PNP, este i el
puternic dopat, P+. Celelalte dou regiuni din
mijloc, ce corespund bazei i colectorului
tranzistoarelor echivalente, sunt dopate mai
uor, N- i P (figura alturat (a)). Simbolurile
tiristoarelor SCR i GTO sunt prezentate de asemenea n figura alturat ((b) respectiv (c)).