Transcript Semiconductori Iankovszky Cristina Cuprins:          Benzile de energie. Conductori, semiconductori, izolatori Semiconductori intrinseci Semiconductori extrinseci Probleme Joncţiunea pn.

Semiconductori
Iankovszky Cristina
Cuprins:









Benzile de energie. Conductori, semiconductori, izolatori
Semiconductori intrinseci
Semiconductori extrinseci
Probleme
Joncţiunea pn. Dioda semiconduc toare
Caracteristicile diodei semiconductoare
Trasarea experimentală a caracteristicilor diodei
semiconductoare
Redresarea curentului alternativ
Probleme
Benzile de energie.
Conductori, semiconductori, izolatori
Nivele energetice
Banda de conductie
Eg
Banda
interzisa
Banda de valenta
(nucleu)
(Click pe fiecare termen daca doriţi sa aflaţi mai mult..)
Banda
energie provenită
Prin de de
nivel
energetic
Banda
valenţă
În
atomul
liber,
deasupra
de
la
nivelul
energetic
discreteste
al
întelegem
o
stare
energetică
separată
de
banda
de
conducţie
nivelului
depevalenţă,
găsesc
atomului
care sesecuantic
află
posibilă într-unsistem
printr-un
interval
energetic,
nivele
energetice
electronii
de valenţă
se care,deşi
numeşte
atom, moleculă,
nucleu,
cristal,
denumit
bandă
interzisă,
în care
sunt
libere,
ele
pot
fi
ocupate
bandă
de valenţă.
etc.)
nu
există în
nivele
energetice
cu electroni
urma excită
rii
Fiecare
nivel
energetic
Gradul
de ocupare
cu
pentru
electroni.
Ocuparea
cu
atomului.
În
cristal
nivelul
discret alaaatomului,
caracterizat
nivelelordin
energetice
electroni
nivelelor
banda de
liber
al
atomului
se
transformă
prinvalenţă
perechea
de denumai
numere
de
depinde
naturaîn
conducţie
poate
începe
într-o
bandă
de
sbnivele
liberese
cuantice
(n,l),
în
cristal
chimică
a atomilor,
de structura
momentul
când
electronii
din
care
poartă într-o
denumireabandă
de
transformă
cristalină
de alţi factori;
banda
desau
valenţă
primesc eao
bandă
de
conducţie.
energetică.
poate
fi cel
ocupată
energie
puţin parţial
egală sau
cu
Noţiunea
de
benzi
complet benzii
de electroni.
lărgimea
interzise.În mod
energetice
(nivele
energetice)
normal
electronii
aflaţi
în banda
reflectă
numai
de valenţă au cea mai starea
mare
energetică a electronilor dintrenergie.
un corp solid.
În funcţie de gradul de ocupare cu electroni a benzilor de energie,
corpurile solide pot fi împărţite în: conductoare, semiconductoare,
izolatoare.
Conductoare
Izolatoare
Semiconductoare
Banda de conductie
Eg > 3 eV
Eg < 3 eV
Conductoarele
Izolatoarele
sunt substanţe
careaude
Corpurile
solide
a(metalele)
căror bandă
nu
permitbenzii
trecerea
curentului
deasupra
de valenţă
complet
valenţă
este
complet
ocupată
cu
electric.
ocupată
Oricâtă
cu
energie
bandă
primi de
electroni,
iarelectroni
banda
deoarconducţie
electronii
conducţie
din
banda
parţial
de
ocupată
valenţăcu
complet
liberă
este
separată
de
nubanda
ar putea
face
electroni.
saltul
în banda
de valenţă
printr-o
bandă
de
conducţie
deci
nu
avem
interzisă îngustă de lărgime Eg < 3
sarcini
libere care să
eV ,electrice
sunt semiconductoare.
participe la formarea curentului
electric.
Banda de valenta
Electrical Current.swf
Semiconductori
Semiconductoarele sunt corpuri a căror conductivitate
electrică σ = 1/ ρ = 104....10-8 1/Ωm este cuprinsă între cea
a metalelor şi cea a izolatoarelor, fiind influenţată de
temperatură ( la temperaturi joase sunt izolatoare şi la
temperaturi înalte sunt conductoare.
Semiconductoare intrinseci ( pure)
Semiconductoare
Semiconductoare
extrinseci ( cu
impurităţi
de tip n
de tip p
Conducţia electrică a semiconductorilor
La temperaturi joase un semiconductor este un isolator
cu rezistenţă electrică foarte mică.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Atomii aflaţi în
nodurile reţelei
cristaline oscilează în
jurul poziţiei de
echilibru. La o
anumită
temperatură vor
avea o energie
cinetică finită,
existând posibilitatea
ca electronii
periferici să
părăsească atomii
devenind liberi.
Cristal de siliciu ( germaniu )
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Benzi de energie (eV)
Aducerea unui electron în starea de conducţie înseamnă trecerea lui din banda de
valenţă (BV) în banda de conducţie (BC).
Prin plecarea electronului din BV în BC, în urma lui apare un nivel energetic liber
numit “gol”. Apariţia unui gol este echivalentă cu apariţia unei sarcini electrice pozitive.
BC
Eg
BV
E
Fe
Fe
Benzi de energie (eV)
BC
Dacă semiconductorului i se aplică o
diferenţă de potenţial, electronii din
banda de valenţă vor începe să se
deplaseze în sens invers câmpului electric;
golurile vor fi ocupate tocmai de acei
electroni care se apropie de ele, lăsând în
urma lor noi goluri.
Electronii se vor deplasa de la “-“ la “+”
iar golurile în sens invers.
Eg
BV
În semiconductoare sunt posibile două tipuri
de conducţie electrică:
- conducţia electronică, determinată de
deplasarea electronilor în banda de conducţie;
- conducţie de goluri, determinată de
deplasarea golurilor în banda de valenţă.
Semiconductori intriseci
BC
recombinare
generare
Benzi de energie (eV)
În cazul semiconductorilor intrinseci, datorită
agitaţiei termice electronii pot trece din banda de
valenţă în banda de conducţie BC, procesul
numindu-se excitare termică intrinsecă ( generare
termică intrinsecă ). În urma acestui proces apar
electroni şi goluri în număr egal.
Pe de altă parte are loc şi procesul invers
generării şi anume recombinarea electronilor cu
golurile, respectiv trecerea electronilor din banda de
conducţie BC în banda de valenţă BV.
Prin urmare, în regim de echilibru
termodinamic la o anumită temperatură T,
numărul actelor de generare este egal cu numărul
actelor de recombinare, iar în semiconductor se va
stabili o concentraţie staţionară de electroni şi
goluri libere, concentraţia electronilor liberi n0 fiind
egală cu concentraţia golurilor libere p0:
n0 = p0 = ni
unde
ni – concentraţia intrinsecă
Eg
BV
Semiconductor de tip n
Pentru a obţine un semiconductor extrinsec de tip n se introduc într-un
semiconductor pur impurităţi donoare ( donori ) adică, atomi cu valenţa
V precum fosfor (P) sau arseniu (As).
Si
Si
Si
As
As
Si
Si
Si
Ed – energia de ionizare
Nd – concentraţia donorilor
- atomi donori
BC
- ioni ai atomilor donori
n - concentraţia totală a
electronilor liberi din BC
p - concentraţia golurilor în BV
Donorii dau nivele energetice mai apropiate de banda de
conducţie, electronii putând fi uşor transportaţi de pe un astfel de
nivel pe banda de conducţie.
Trecerea electronilor de pe nivelul donor în banda de
conducţie poartă numele de excitare (generare) termică extrinsecă
a electronilor. Poate avea loc şi procesul invers de trecere a
electronilor din banda cde conducţie pe nivelul donor, proces
denumit recombinarea electronilor pe nivelul donor.
Ed
Eg
BV
n = p + Nd
Semiconductor de tip p
Pentru a obţine un semiconductor extrinsec de tip p se introduc într-un
semiconductor pur impurităţi acceptoare ( acceptori) adică, atomi cu
valenţa III precum bor (B) sau galiu (Ga) .
Si
Si
SiB
SiB
Si
Si
Ea – energia de ionizare a acceptorilor
Na – concentraţia acceptorilor
- atomi acceptori
BC
- ioni ai atomilor acceptori
p - concentraţia totală a
golurilor din BV
n - concentraţia electronilor în BC
Procese care au loc în semiconductorii de tip p
 la temperaturi coborâte predomină schimbul de
goluri dintre BV şi nivelul energetic Ea al
acceptorilor, având loc acte de generare şi
recombinare a golurilor;
 la temperaturi mai înalte are loc şi generarea
intrinsecă.
Ea
Eg
BV
p = n + Na
Joncţiunea p-n
p
n
E
Joncţiunea p-n reprezintă zona de trecere ( contact) care se
formează într-un cristal semiconductor, la care o parte conţine
impurităţi acceptoare ( tip n) iar cealaltă impurităţi donoare (tip p).
Ea are o lărgime l = 10-4….10-5 cm.
Dioda semiconductoare
Joncţiunea pn are calităţi redresoare.
Astfel aplicând o tensiune continuă cu :
- polaritate directă (polul plus la regiunea
p şi polul minus la regiunea n), prin
joncţiune trece un curent electric a cărui
intensitate creşte cu creşterea tensiunii
aplicate, deoarece rezistenţa electrică este
mică (Rj = 10 Ω);
- polaritate inversă, practic nu trece
curent deoarece are loc o lărgire a
stratului de baraj care capătă o rezistenţă
electrică foarte mare (Rj = 104...105 Ω); în
acest caz se spune că dioda este blocată.
Caracteristicile diodei semicoductoare
U
Ub
Ub-U
Când dioda este polarizată invers, câmpul
extern aplicat având acelaşi sens cu câmpul de
baraj, mişcarea purtătorilor majoritari este
împiedicată. În acest caz, curentul ce străbate
dioda, format numai din purtători minoritari,
este extrem de slab ( de ordinul mA la dioda cu
Si şi de ordinul μA la cea cu Ge), aşa încât îl
putem considera practic nul. Spunem că la
polarizarea inversă dioda nu conduce curentul
electric.
la echilibru
Tensiune
directa
Prin aplicarea câmpului exterior
în sens direct are loc o micşorare a
duferenţei de potenţial (barierei)
dintre cele două regiuni, deoarece
câmpul extern are sens invers
câmpului de baraj, ceea ce înlesneşte
mişcarea purtătorilor majoritari. În
felul acesta, la polarizare directă
curentul electric trece prin diodă.
U
Ub+U
Tensiune
inversa
la echilibru
Ub
p
n
Schema şi simbolul
diodei
Dioda funcţionează ca
o supapă ce permite
trecerea curentului
electric într-un singur
sens (când este
polarizată direct).
Caracteristica reală a unei diode cu
joncţiune.
În figură se reprezintă caracteristica I = f(U)
a unei diode. Ea pune în evidenţă
următoarele:
a) Intensitatea curentului în sens direct,
după ce se depăşeşte tensionea de
deschidere UD, creşte exponenţial şi
rezistenţa diodei devine foarte mică.
b) În sens contrar, pentru U < 0, intensitatea curentului care trece prin diodă este foarte mică,
cu multe ordine de mărime mai mică decât în sens direct. În majoritatea aplicaţiilor
practice se consideră egală cu zero. Dacă tensiunea creşte peste o anumită valoare critică
– numită tensiune de străpungere – dioda (joncţiunea) se “străpunge” şi intensitatea
curentului începe să crească brusc. Fenomenul de străpungere este unul negativ. În
practică se urmăreşte crearea de joncţiuni care să reziste la tensiuni inverse cât mai mari,
mii de volţi.
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html
Caracteristica statică liniarizată aproximează
destul de bine, pentru curenţi lent variabili,
caracteristica reală a diodei.
Definim rezistenţa dinamică a diodei prin
relaţia:
Rdm 
i
Δi
u
i
pentru
porţiunea
înclinată,
corespunzătoare conducţiei diodei. Acest
raport reprezintă tangenta unghiului de
înclinare γ faţă de verticală a porţiunii
rectilinii înclinate – Rdm = tg γ.
γ
u
0
UD
Δu
O diodă ideală ar funcţiona ca un
întrerupător care este închis pentru
tensiuni u < 0 (polarizare inversă) şi
deschis pentru tensiuni pozitive u > 0
(polarizare directă). Ea ar prezenta la
polarizare inversă o rezistenţă
infinită, iar în conducţie directă, o
rezistenţă nulă.
i
u
0
Caracteristica
liniarizată
ar
Dideala
corespunde
modelului
electric
echivalând cu o diodă ideală înseriată cu
o rezistenţă, reprezentând rezistenţa
dinamică a diodei şi cu un generator
ideal de tensiune electromotoare egală
cu tensiunea de deschidere UD a diodei
i
reale. (a)
Din
compunerea
celor
trei
caracteristici individuale (b) rezultă
caracteristica liniarizată (c).
Reţinem că UD şi Rdm sunt
parametrii modelului. Modelul este D.id
descris matematic de funcţia:
0 U
D
0
,
u

U

D

(b)
i  u  U D
,u  UD
 R
 dm
Rdm
UD
(a)
ii
u
u
0
UD
(c)
Trasarea experimentală a caracteristicilor
diodei semiconductoare
Materiale necesare:






diodă semiconductoare;
resistor (cel puţin 10 Ω)
sursă : 0 – 12 V c.c.
conductori de legătură;
voltmetru, ampermetru;
reostat.
Trasarea experimentală a caracteristicii diodei
Materiale necesare:
- diodă semiconductoare;
- resistor (cel puţin 10 Ω)
- sursă : 0 – 12 V c.c.
- conductori de legătură;
- voltmetru, ampermetru;
- rheostat.
Mod de lucru:
- se realizează montajul din
figură;
- variaţi tensiunea aplicată şi
notaţi valorile corespunzătoare
ale curentului în 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 diodă (A)
pentru a înregistra rezultatele pentru valori negative ale tensiunii se inversează
bornele diodei;
trasaţi graficul: I = f(U)
rezistenţa diodei pentru o anumită tensiune este egală cu raportul dintre tensiune
şi intensitate; folosiţi graficul pentru a calcula rezistenţa diodei pentru diferite
tensiuni;
descrieţi cum variază rezistenţa cu tensiunea aplicată; este rezistenţa diodei
aceeaşi pentru o tensiune pozitivă şi pentru o tensiune negativă.
http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbeit/da/weTEiS/weteis/diode1.htm
Redresarea curentului alternativ
Transformatorul din
Filtrul are rolul de a
circuitul
redresor
separă
Prin redresarea curentului alternative se înţelege transformarea curentului
alternativ
reduce (netezi)
Redresorul
componenta
de
curent
de joasă frecvenţă în curent pulsator, utilizând un dispozitiv numit redresor.
pulsaţiile tensiunii
propriu-zis este un
alternativ de cea de curent
Pentru redresarea curentului alternativ
poate folosi dioda cu redresate.
joncţiune.Filtrele se
elementseneliniar
continuu şi determină de
realizează de obicei cu
(sau mai multe)
obicei
valoarea
tensiunii
În mod
obişnuit
un redresor cu dispozitiv semiconductor este
compusdedin:
elemente
circuit
care permite
continue
pentru
o
valoare
elementul redresor ( dioda semiconductoare ),sursa de curent alternativ
(reţea de
reactive: condensatoare,
trecerea curentului
dată
a
tensiunii
de
reaţea.
alimentare cu energie electrică sau transformator) şi un filtru de netezire..
bobine, uneori şi
într-un singur
rezistoare. Spre
sens.
Retea
sarcina
Transformator
Filtru de netezire
~
Redresor
Redresor monoalternanţă
Redresorul monoalternanţă este cel mai simplu redresor. Blocul redresor
coţine un singur element redresor, o diodă.
Randamentul scăzut este unul dintre dezavantajele acestui redresor. Un al
doilea dezavantaj este încărcarea nesimetrică a reţelei, puterea fiind absorbită doar în
timpul unei singure semialternante. Redresorul monoalternanţă este însă destul de
folosit la puteri mici deoarece este cel mai simpu şi cel mai ieftin.
Redresarea ambelor alternanţe
Redresor dublă alternanţă cu punct median
În cazul acestui tip de redresor transformatorul este necesar şi el trebuie să aibă
un secundar cu două înfăşurări înseriate, care au acelaşi număr de spire, cu un punct
median între ele, astfel ca să furnizeze blocului redresor compus din două diode două
tensiuni identice, u2. Ansamblul poate fi privit şi ca două redresoare monoalternanţă
legate la aceeaşi sarcină, în cazul acesta rezistenţa RS.
În prima semiperioadă cele două diode
sunt polarizate astfel: D1 direct, plusul
tensiunii transformatorului la anod, iar D2
invers. Schema echivalentă este aceea din
figura (b) (D1 scurtcircuit, D2 întreruptă)
şi tensiunea pe sarcină este egală cu u2,
adică o semialternanţă pozitivă.
În a doua semiperioadă cele două diode
sunt polarizate astfel: D1 invers, minusul
tensiunii transformatorului la anod, iar D2
direct. Schema echivalentă este aceea din figura
(c) (D1 întreruptă, D2 scurtcircuit) şi tensiunea
pe sarcină este egală cu minus u2 (negativă în
acest semiinterval), adică din nou o
semialternanţă pozitivă.
Se obţine în acest fel o redresare dublă
alternanţă.
http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_transfo.html
Redresor dublă alternanţă în punte
Redresorul dublă alternanţă în punte are schema,
forma tensiunilor şi schemele
echivalente în semiperioadele distincte de
funcţionare prezentate în figură. În cazul
acestui tip de redresor transformatorul poate lipsi.
Se obţine în acest fel o redresare dublă
alternanţă la fel ca în cazul anterior.
Avantajul schemei, valoarea medie dublă
faţă de redresarea monoalternanţă şi
deci o eficacitate dublă a redresării dar şi
faptul că este nevoie de o singură sursă de
alimentare.
Blocul redresor este format din 4 diode legate în punte (formând un patrulater)
într-o anumită succesiune a terminalelor. La una din diagonalele punţii se conectează
sursa de tensiune alternativă, sau secundarul transformatorului dacă acesta există, iar la
a doua diagonală se conectează sarcina, R în cazul acesta.
În prima semiperioadă sunt polarizate
direct diodele D2 si D3 şi sunt polarizate
invers diodele D1 şi D4. Schema
echivalenta este aceea din figură şi
tensiunea pe sarcină este egală cu u2,
adică o semialternanţă pozitivă.
În a doua semiperioadă sunt polarizate
invers diodele D2 şi D3 sunt
polarizate direct diodele D1 şi D4.
Schema echivalentă este aceea din
figură şi tensiunea pe sarcină este
egală cu minus u2 (negativă în acest
semiinterval), adică din nou o
semialternanţă pozitivă.
http://www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCurrent.dcr
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-device-animations.html
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/socratic/output/animation_bridge_rectifier
_nonideal_fast.gif
http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbeit/da/weTEiS/wet
eis/diode1.htm
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.ht
Redresarea cu pynte
http://www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCurrent.dcr
Redresarea cu 2 diode
http://www.sciences.univ-nantes.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/Diplomarbeit/da/weT
EiS/weteis/diode1.htm
Dioda semiconductoare
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html