Componente active de circuit

Materialele semiconductoare sunt materiale a caror conductivitate electrica este cuprinsa aproximativ intre (10-10 103 ) si se situeaza din acest punct de vedere intre conductoare (104 106 ) si izolatoare (10-12 10-18 ). Proprietatile lor electrice legate de conductivitate sunt puternic influentate de prezenta dorita a anumitor impuritati.

Semiconductoarele se deosebesc fundamental de conductoare nu numai prin valoarea conductivitatii dar si prin modul in care aceasta variaza cu temperatura (valoarea conductivitatii creste cu temperatura in timp ce in conductoare aceasta scade).

De asemenea, valoarea conductivitatii semiconductoarelor este puternic influentata de defectele existente in structura cristalina a materialului si de factori externi, in timp ce la conductoare acestea n-au practic nici o influenta.

In anii 1950 dupa aparitia tranzistorului, germaniul era principalul material semiconductor dar era de nefolosit in multe aplicatii datorita curentului rezidual ridicat la temperaturi nu prea mari.

In plus, proprietatile modeste ale oxidului de germaniu nu permiteau dezvoltarea unor tehnologii performante. Prin anii '60 siliciul devine inlocuitorul practic al germaniului datorita curentilor reziduali mult mai mici si proprietatilor remarcabile ale oxidului sau (care au permis dezvoltarea tehnologiei planare) si nu in ultimul rand considerentele economice (costul siliciului monocristalin utilizabil pentru realizarea dispozitivelor semiconductoare si a circuitelor integrate este cel mai scazut in comparaitie cu pretul altor materiale).

In prezent, Si este unul dintre cele mai cunoscute materiale din tabelul periodic iar tehnologia siliciului este pe departe cea mai avansata dintre toate tehnologiile cate, sunt aplicate in microelectronica.

Cu toate avantajele legate de Si, acest material ramine inca modest din punct de vedere al performantelor sale la frecvente inalte, in domeniul optic, etc. In ultimii ani au fost dezvoltate exploziv si alte materiale care sa poata acoperi aplicatiile in care Si a devenit inutilizabil. Acestea sunt, in pricipal, materiale semiconductoare compuse (compusi intermetalici) din grupele A III-B V si A II-BVI. Cu A si B sunt notate materialele (elementare sau compuse) ce apartin grupei a ///-a si respectiv a V-a a tabelului periodic.

Astfel, in mod uzual, compusii A III -B V sunt constituiti din:

A= In, Ga, Al (sau combinatii echivalente cum ar fi, de ex. Ga x Al1-x) iar

B= N, Sb, As, P (sau combinatii echivalente, de ex. Sby P1-y). Aceste materiale, in special GaAs, sunt utilizate in aplicatii optice sau de microunde. Tehnologia acestor materiale s-a dezvoltat pornind de la metodele cunoscute din tehnologia Si dar implica procedee particulare mai complexe (deci mai scumpe).

Clasificarea materialelor semiconductoare

Materialele semiconductoare pot fi:

- materiale elementare - Ge, Si etc. ;

- materiale compuse:

- Compusi IV - IV SiC, SiGe;

- Compusi III - V

- binari: din care: AlSb, GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP, InSb

- ternari: AlxGa1-xAs, GaxIn1-x As,

- cuaternari: GaxIn1-x Py As1-y, Inx Al1-xSbyP1-y, Inx Al1-xAsyP1-y

- Compusi II - VI: CdS, CdTe, ZnO, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdSSe, CdyZn1-yTe etc.

- Compusi complecsi:

- I-IV-V CuAsS2, AgSbTe2, AgBiSe,

- II-IV-V CdSnAs2, ZnSbAs2, MgGeP2,

Materialele semiconductoare cum ar fi siliciul si germaniul au structura cristalina de tip diamant care apartine familiei cubice. Altele cum ar fi GaAs au structura de tip blenda de zinc apropiata de cea a diamantului. La acestea atomii de As alterneaza cu cei de Ga iar concentratia lor determina tipul de semiconductor si de conductivitate. Fortele de legatura care tin structura cristalina sunt, in principal, forte tari de tipul legaturilor covalente. Pe langa acestea se manifesta si forte electrosatice de tipul legaturilor ionice. Cand temperatura creste, vibratiile termice pot depasi forta legaturilor covalente care se rup eliberand electroni care pot contribui la modificarea conductivitatii materialului.

Functionarea dispozitivelor semiconductoare se bazeaza pe deplasarea purtatorilor de sarcina (electroni si goluri) in material. Nivelele energetice pe care electronii le pot ocupa in corpul solid sunt dispuse in interiorul unor benzi energetice permise, separate de benzi interzise, in care electronii nu pot avea energie. La temperaturi mai mari decat zero absolut, exista intotdeauna un numar de electroni liberi si de goluri, ca urmare a ruperii unor legaturi covalente (fenomenul de generare de perechi electron-gol). Acesti purtatori sunt cvasi liberi, ei nu apartin unui anume atom si se pot deplasa prin reteaua cristalina, participand la conductivitatea materialului. Uneori ei pot intra intr-o legatura covalenta si dispar ca purtatori liberi (fenomenul recombinarii electron-gol). Pentru a creste conductivitatea unui semiconductor se introduc prin dopare controlata impuritati (atomi de materiale straine) care au numar diferit de electroni de valenta decat semiconductorul. De exemplu daca in siliciu care este tetravalent se substituie unii atomi de baza cu atomi din grupa a III-a (Al, Ga etc.), va rezulta un deficit de electroni pentru legaturile covalente. Ca urmare, va exista o concentratie mai mare de goluri (locuri libere) decat de electroni liberi. Semiconductorul se numeste de tip p si conductia este data in principal de goluri. Intr-o alta situatie, cand

- Sandu D. Electronica fizica si aplicata. - V.1. - Iasi; Editura A.I.Cuza:1994, - 615 p.

- D.Dascalu, A.Rusu, M.Profirescu, I.Costea Dispozitive si circuite electronice. - Bucuresti; Editura Didactica si Pedagogica: 1982, - 679 p.

- Zamfir V. Bazele radioelectronicii. - Timisoara; Facla: 1987, - 279 p.

- S. Calin, I. Dumitrache, Regulatoare automate, Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti, 1985.

- D. Sangeorzan, Echipamente de reglare numerica, Editura Militara, Bucuresti, 1990.

- S. Calin, Gh. Petrescu, I.Tabus, Sisteme automate numerice, Editura Stiintifica si Enciclopedica, Bucuresti, 1984.

- S. Calin, F. Munteanu, I. Dumitrache, V. Iorga, C. Nitu, S. Dumitriu, Reglarea numerica a proceselor tehnologice, Editura Tehnica, Bucuresti, 1984.

- G. Ionescu, V. Ionescu, Automatica de la A la Z, Editura Stiintifica si Enciclopedica, Bucuresti, 1987.

- C. Radoi, A.T. Murgan, V. Lazarescu, G. Nelepcu, N. Dragulanescu, P. Constantin, O. Radu , Circuite si echipamente electronice industriale, Editura Tehnica Bucuresti, 1986.