STUDIUL MATERIALELOR Tanaviosoft 2012 T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 1 T10 10.1.GENERALITĂŢI. Ştiinţa Materialelor studiază structura şi proprietăţile metalelor şi aliajelor, stabileşte legături între compoziţie, structură şi proprietăţi, elaborează tehnologii de modificare a acestor proprietăţi. În natură, pot fi identificate opt categorii de materiale: 1) metale 2) semiconductori 3) dielectrici 4) ceramice 5) sticle 6) polimeri sintetici (fibre sintetice, elastomeri, mase plastice) 7) substanţe naturale (piatră, lemn, fibre, piei, etc.) 8) compozite (materiale compuse din două sau mai multe materiale din cele şapte tipuri precedente) Elementele sistemului periodic se clasifică în mod covenţional în metale şi nemetale. Proprietăţile structurale şi fizico-chimice variabile permit clasificarea elementelor sistemului periodic după criterii diferite. Metalele reprezintă 82 din cele 118 elemente cunoscute până în prezent. Sili- ciul (Si), germaniul (Ge), arseniul (As), seleniul (Se), telurul (Te) sunt considerate elemente chimice intermediare metalelor şi nemetalelor, numite adesea semimeta-
Transcript
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 1
T10
10.1.GENERALITĂŢI.
Ştiinţa Materialelor studiază structura şi proprietăţile metalelor şi aliajelor, stabileşte legături între compoziţie, structură şi proprietăţi, elaborează tehnologii de modificare a acestor proprietăţi. În natură, pot fi identificate opt categorii de materiale:
1) metale 2) semiconductori 3) dielectrici 4) ceramice 5) sticle 6) polimeri sintetici (fibre sintetice, elastomeri, mase plastice) 7) substanţe naturale (piatră, lemn, fibre, piei, etc.) 8) compozite (materiale compuse din două sau mai multe materiale din cele şapte tipuri precedente)
Elementele sistemului periodic se clasifică în mod covenţional în metale şi nemetale. Proprietăţile structurale şi fizico-chimice variabile permit clasificarea elementelor sistemului periodic după criterii diferite. Metalele reprezintă 82 din cele 118 elemente cunoscute până în prezent. Sili-ciul (Si), germaniul (Ge), arseniul (As), seleniul (Se), telurul (Te) sunt considerate elemente chimice intermediare metalelor şi nemetalelor, numite adesea semimeta-
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 2
T10
le. Toate elementele dispuse în stânga liniei imaginare trasată între bor şi astatin (de la nr. 5 până la nr. 85) sunt considerate metale, iar cele dispuse în dreapta acestei linii sunt nemetale.
Sistemul periodic al elementelor chimice
http://www.freshney.org
Toate proprietăţile caracteristice metalelor sunt specifice pentru stările de agregare solidă şi lichidă, deoarece în aceste condiţii între atomii metalelor se ma-nifestă legături metalice. In starea gazoasă metalele nu se deosebesc de nemetale. Cele mai reprezentative proprietăţi ale metalelor sunt: tendinţa de a forma reţele cristaline compacte; proprietăţi optice specifice (opacitate, luciu metalic, culoare); conductivitate termică şi electrică ridicată; insolubilitate în dizolvanţi comuni (se dizolvă numai în metale cu formare de aliaje). Conductivitatea electrică este proprietatea materialelor de a conduce curen-tul electric.În tehnică se utilizează proprietatea inversă, rezistivitatea electri-că(proprietatea prin care materialele se opun trecerii curentului electric).
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 3
T10
Rezistivitatea electrică este mărimea fizică care exprimă rezistenţa electrică a unui conductor cu lungimea de 1 cm şi aria secţiunii de 1 cm2.Rezistivitatea elec-trică se exprimă in Ω∙cm. În funcţie de mărimea rezistivităţii electrice, la temperatura mediului ambi-ant,materialele se clasifică astfel:
Grupa materialelor conductoare cuprinde materialele metalice, soluţii şi să-ruri nemetalice. Grupa materialelor semiconductoare şi a materialelor izolatoare cuprinde mate-rialele nemetalice.
10.2.STRUCTURA.PROPRIETĂŢI.
Materialele semiconductoare, la temperatura mediului ambiant, sunt rău conducătoare de electricitate.În anumite condiţii mecanice,termice sau chimice devin conducătoare de electricitate. Se cunosc nouă elemente chimice cu proprietăţi de semiconduc-tor:borul,carbonul(diamantul), siliciul, germaniul, staniul cenuşiu, fosforul, arse-nul, seleniul şi telurul.Combinaţiile chimice anorganice cu proprietăţi semicon-ductoare se numesc compuşi semiconductori. Elementele semiconductoare din subgrupa a IV-a(C, Si, Ge, Sn) au o reţea cristalină complexă tip diamant.
MATERIALE
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
MATERIALE IZOLATOARE
MATERIALE CONDUCTOARE
Rezistivitatea electrică ρ=10-6 -10-4 Ω∙cm
Rezistivitatea electrică ρ=10-3 -10-2 Ω∙cm
Rezistivitatea electrică ρ=108 -1020 Ω∙cm
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 4
T10
Arsen(As) Carbon(C)
Siliciu(Si) Fosfor(P)
Staniu(Sn) Germaniu(Ge)
Bor(B) Seleniu(Se)
Telur(Te)
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 5
T10
În această reţea, fiecare atom este înconjurat de alţi patru atomi plasaţi în vârfurile unui tetraedru regulat.Legătura între atomul central şi atomii din vârfu-rile tetraedrului este o legătură covalentă(legătură prin perechi de electroni de va-lenţă).
Fig.10.2.1.Siliciu-structura cristalina Fig.10.2.2.Electronii de valenţă(Si)
Fig.10.2.3.Legătura covalentă
Proprietăţile electrice ale materialelor semiconductoare sunt influenţate de prezenţa impurităţilor.Impurificarea poate fi realizată cu elemente chimice penta-valente(As,Sb, P) sau cu elemente chimice trivalente(B, Ga, Al).
Electronii de valenţă formează legături covalente, dar numai la temperaturi joase, când siliciul este izolator perfect. La temperaturi normale, unii electroni părăsesc legăturile şi devin electroni de conductivitate. Creşterea temperaturii determină un număr mai mare de electroni să părăsească legăturile. Semiconductoarele la tempe-raturi joase au caracter electro-izolant, iar la temperaturi ridicate devin conductoare.
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 6
T10
10.3.MATERIALELE SEMICONDUCTOARE.
Fig.10.2.4.Semiconductor tip n.
Fig.10.2.5.Semiconductor tip p.
Compuşii semiconductori au structuri cristaline şi legături covalente.
Arseniul oferă pentru legăturile covalente cu atomii de siliciu, cinci electroni de valenţă.Un electron rămâne liber, devenind electron de conductivitate. Arseniul, ca impuritate este donor, iar semiconductorul prin care se deplasează electronii liberi, se numeşte semiconductor de tip n(cu sarcini electrice mobile negative-electronii).
Aluminiul oferă pentru legăturile covalente trei electroni de valenţă. Golul electronic este ocupat de un electron al unei alte legături covalente. Are loc o deplasare a golului electropozitiv prin materialul semi-conductor.Se creează o deplasare de goluri electropozitive, generând un curent electric. Aluminiul, ca impuritate, este accep-tor, iar semiconductorul prin care se deplasează golurile se numeste semi-conductor de tip p.
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 7
T10
Semiconductoarele se fabrică prin procedee de sinteză şi purificare, prin ca-re se obţin monocristale.
10.4.APLICAŢII TEHNICE. Materialele semiconductoare , în funcţie de unii factori externi(temperatura, lumina, câmpul electric, câmpul magnetic) îşi pot modifica proprietăţile electrice.
Varistoarele sunt componente electronice realizate din materiale semi-conductoare la care variaţia tensiunii cu intensitatea electrică nu este liniară.În ca-zul tiritului, la creşterea tensiunii electrice peste o anumită limită, scade brusc re-zistivitatea electrică a componentei electronice.Tiritul se utilizează pentru protec-ţia liniilor de înaltă tensiune, în cazul unor descărcări electrice(fulgere).
La tensiune normală, rezistenţa tiritului este mare, pierderile de curent fiind foarte mici.La supratensiuni(descărcări electrice), rezistenţa electrică scade brusc, iar surplusul de energie electrică se scurge în sol.
Fig.10.4.1.Varistoare
Termistoarele sunt componente electronice c are, la creşterea temperaturii îşi micşorează rezistivitatea electrică.Se utilizează pentru limitatoare de tempera-tura, sisteme de alarmă .Termistoarele au la bază oxizi metalici(CuO2, ZnO, MgO).
Fig.10.4.2.Termistoare
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 8
T10
Fotorezistenţele sunt componente electronice care, sub influenţa luminii, devin bune conducătoare de electricitate(se micşorează rezistivitatea electrică). Sunt sensibile la lumina verde(CdS), la lumina roşie(CdSe, CdTe), la radiaţii infra-roşii(PbSe, Pb,Te). Se utilizează în cinematografie, televiziune, la instalaţii de alarmă.
Fig.10.4.3.Fotorezistenţe
Diodele semiconductoare înlocuiesc diodele clasice(tuburile electronice), fiind utilizate la instalaţii electronice(radiofonie,televiziune, calculatoare). Diodele redresoare se utilizează pentru transformarea curentului alternativ în curent continuu(punţi redresoare).Aceste componente electronice au la bază germaniu sau siliciu impurificate cu elemente chimice pentavalente sau trivalente.
Fig.10.4.4.Diode semiconductoare
Tranzistoarele sunt componente electronice care permit amplificarea curen-tului electric.Ele sunt cu joncţiune p-n-p sau n-p-n.Se utilizează pentru echipa-mente electronice în televiziune, radiofonie, calculatoare, instalaţii electrice auto, etc.
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 9
T10
Fig.10.4.5.Tranzistoare
10.5.MATERIALE PIEZOELECTRICE. Materialele piezoelectrice au proprietatea de a genera sarcini electrice sub acţiunea forţelor mecanice sau de a se deforma elastic sub influenţa acţiunii unor câmpuri electrice.Proprietatea este specifică unor substanţe cristaline solide: cuar-ţul,turmalina, titanatul de bariu, sarea de Seignette.
Fig.10.5.1.Cuarţ
Dacă un cristal de cuarţ este solicitat mecanic pe direcţia unei axe electri-ce,pe feţele perpendiculare acestei axe apar sarcini electrice de semn contrar (dife-renţă de potenţial electric).Invers, aplicarea unui câmp electric provoacă deforma-rea cristalului(contracţie sau lungire). Aceste efect(efectul piezoelectric) se utilizează pentru măsurarea presiuni-lor, fabricarea materialelor ceramice.
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 10
T10
10.6.DICŢIONAR TEHNIC.
Dielectric-care izoleaza din punct de vedere electric; izolator. Polimer-este o substanță compusă din molecule cu masă moleculară mare, formate dintr-un număr mare de mole-cule mici identice, numite monomeri. Reţea cristalină-aranjament geometri spaţial constituit din celule elementare. Stare de agregare-o formă a materiei caracterizată prin anumite proprietăți fizice calitative. Atom-cea mai mică parte dintr-un element chimic formată din nucleu și electroni.
STUDIUL MATERIALELOR
Tanaviosoft 2012
T10-Materiale semiconductoare autor: profesor Tanase Viorel 11
