Semiconductoare.pdf | |
File Size: | 685 kb |
File Type: |
Într-un conductor metalic, curentul este reprezentat de fluxul de electronii. Într-un semiconductor curentul este reprezentat fie de fluxul de electroni fie de fluxul de "goluri" din structura electronică a materialului.
Conductivitatea semiconductoarelor crește odată cu cresterea temperaturii, caracteristică opusă caracteristicii metalului.
Un câmp electric poate schimba rezistivitatea semiconductorilor.
Dispozitivele semiconductoare sunt: tranzistorul, celulele solare, mai multe tipuri de diode, inclusiv dioda luminiscentă și circuite integrate.
Fotovoltaice sunt dispozitive semiconductoare care transformă energia luminii în energie electrică.
Semiconductorii au o arie de proprietati folositoare precum trecerea mai usoara a curentului printr-o parte decat prin alta.
Semiconductorii pot fi folositi la dispozitive precum amplificatoare de semnal, switch-uri si conversii de energie, din cauza proprietatilor de condictivitate care pot fi controlate de adaugarea de impuritati sau adaugarea panourilor electrice de lumina.
Intelegerea proprietatilor semiconductoarelor se bazeaza pe intelegerea fizicii cuantice pentru a explica miscarea electronilor prin zabrele de atomi.
Conducerea de curent intr-un semiconductor se face prin electroni liberi si "gauri", stiuti colectiv de purtatori de sarcina. Adaugand atomi de impuritati unui material semiconductor, stiut colectiv ca si "dopare", creste numarul purtatorilor de sarcina cu el. Cand un semiconductor dopat contine gauri in exces este numit "p-type" iar cand contine excess de electroni liber este numit "n-type".
MATERIALE SEMICONDUCTOARE
Materialele semiconductoare au 4 electroni de valenta si au nevoie de o mica energie pentru a deveni liberi.
Dintre acestea fac parte materialele pure cum ar fi:Ge,Si,Se ,Telur si compusi ale acestora.
Conductivitatea la aceste materiale este de 2 feluri:
-conductivitate intrinseca
-conductivitate extrinseca
A. Conductivitatea intrinseca se refera la materialul pur,fara impuritati,cum ar fi o retea cristalina de Ge .Fiecare atom de Ge este inconjurat de alti 4 atomi,fiecare atom punand in comun 2 cate 2,cei 4 electroni de valenta.Se formeaza astfel legaturi covalente si in jurul fiecarui atom de Ge cate un octet.Octetul si legatura covalenta sunt foarte stabile astfel ca la plecarea unui electron acesta devine liber lasand in urma un gol necompensat ,purtator de sarcina pozitiva.Numarul de electroni astfel formati va fie egal cu numarul golurilor.Sub influenta unui camp electric,purtatorii de sarcina,electronii liberi si golurile se vor misca in sens invers cu viteze egale.
Nr.e=nr.g v.e=vg
B.Conductivitatea extrinseca
Aceasta se obtine introducand in reteaua de Ge,cantitati mici de atomi,de alte metale,avand valenta mai mare,sau mai mica.
4+1=5>P(fosfor)
4-1=3>Al(aluminiu)
Impurificand reteaua de Ge cu cativa atomi de P,avand 5 electroni de valenta,fiecare impuritate va folosi 4 electroni pentru realizarea octetului,al 5-lea putand parasi usor atomul devenind electron liber fara a lasa in urma gol,pentru ca nu a plecat din legatura covalenta.
Se pot forma si perechi de electroni si goluri,daca pleaca electroni din legaturi covalente.In total numarul de electroni liberi formati este mai mare decat numarul de goluri,conductivitatea fiind de tip ‘’n’’(de la sarcina purtatorilor majoritari).
MATERIALE ELECTROIZOLANTE
Materialele electroizolante se utilizeaza la izolarea cailor de curent intre ele si fata de pamant(masa).De asemenea se mai folosesc la dielectric in condensatoare .
Comportarea unui dielectric cand este pus intr-un camp electric:
-fenomenul de conductie
-fenomenul de polarizare
Fenomenul de conductie consta in aparitia unui mic curent de conductie,dovedind ca rezistenta este mare,darn u infinita.
Fenomenul de polarizare se produce diferit in functie de tipul dielectricului(polar,sau nepolar).
Materialele polare au sarcini pozitive, si negative grupate in dipoli,iar materialele nepolare nu contin dipoli deoarece centrul sarcinilor negative coincide cu cel al sarcinilor pozitive.
Dielectricii polari respectivi nepolari,prin plasare intr-un camp electric,sufera o transformare prin deplasarea dipolilor respective deplasarea centrelor de actiune a sarcinilor pozitive si negative.
Miscarea sarcinilor determina un curent de polarizare care incalzeste dielectricul in campuri de inalta frecventa determinand pierderi.
Proprietati electrice ale materialelor electroizolante:
1) Rezistivitatea de volum si de suprafata
Un dielectric solicitat de un camp(diferenta de potential)poate conduce curentul electric fie prin suprafata sa,fie prin interior.Asta inseamna ca se pot forma 2 cai de curent fie pe suprafata, fie prin interior.
2) Rezistivitatea dielectrica –capacitatea unui conductor
Permitivitatea dielectrica intervine in formula capacitatii care se formeaza prin plasarea dielectricului in camp.
3) Rigiditatea dielectrica
Rigiditatea dielectrica sau campul de strapungere reprezinta tensiunea la care se strapunge 1 cm grosime din dielectric.
4) Tangenta unghiului de pierderi
In cazul in care un dielectric nu are pierderi(dielectric ideal)puterea pierduta este egala cu 0.In realitatea un dielectric prezinta pierderi prin incalzire datorita deplasarii sarcinilor(dipolilor)in cazul aplicarii unui camp alternativ(mai ales daca este de inalta frecventa).
Proprietati fizico-chimice ale materialelor electroizolante:
1) Higroscopicitatea – este proprietatea materialelor de a absorbi umiditatea.Cu cat sunt mai higroscopice ,au proprietati electrice mai slabe(scade rigiditatea dielectrica ).
2) Densitatea
3) Porozitatea
4) Conductibilitatea termica – este proprietatea materialelor de a conduce caldura .
5) Stabilitatea termica – reprezinta proprietatea materialelor de a-si pastra caracteristicile pana la o anumita temperature.S-au stabilit clase de izolatie notate cu litere corespunzatoare temperaturii pana la care materialul isi pastreaza caracteristicile electrice.
6) Stabilitatea la temperaturi joase
7) Punct de aprindere – proprietatea materialelor de a se aprinde singure
8) Punct de imflamabilitate – proprietatea materialelor de a se aprinde de la o sursa
9) Solubilitatea
10) Stabilitatea termica
1. Materiale electroizolante gazoase
Aerul este principalul isolator in aparatele electrice,insa datorita oxigenului ataca unele metale conductoare,oxideaza si imbatraneste uleiurile.Aerul are rigiditatea dielectrica de 32KV/cm.
Azotul are proprietati asemanatoare cu ale aerului,dar nu oxideaza uleiurile.Utilizari:umflarea baloanelor,perna de azot.
Hidrogenul este de 14 ori mai usor decat aerul.Utilizari:racirea masinilo electrice.Dezavantaje:este inflamabil,imbatraneste izolatia.
2. Materiale electroizolante lichide
Ca si gazele materialele lichide ocupa in totalitate volumul in care sunt introduse,sunt insa mai scumpe si mai grele decat gazele.Se descompun sub actiunea arcului electric,vaporii de lichid fiind toxici si imflamabili.
Uleiuri:
a) uleiuri minerale – se obtin prin distilarea petrolului si poarta in general denumirea aparatului in care se utilizeaza : ulei de transformator,ulei de cablu,ulei de condensator.
- Uleiul de transformator se utilizeaza pentru racirea si izolarea infasurarilor transformatoarelor de putere,in intrerupatoare de inalta tensiune unde au rol de a raci,izola si de a stinge arcul electric.
- Uleiul de cablu este folosit pentru impregnarea hartiei de cablu sau in cabluri de inalta tensiune cu circulatie de ulei,unde uleiul joaca rol de izolare si de racire.
- Uleiul de condensator este folosit la impregnarea hartiei utilizata ca dielectric in condensatoare si in condensatoare de inalta tensiune.
b) uleiuri vegetale:uleiuri de in si uleiuri de tung.
c) uleiuri sintetice :uleiuri clorurate,fluorurate si siliconice.
Uleiurile sintetice au proprietati mai bune fata de cele minerale in sensul ca se descompun sub actiunea arcului electric,dar nu dau gaze inflamabile,in schimb acestea sunt toxice.Avantaje au uleiurile siliconice care nu sunt toxice si se pot utiliza la temperaturi ridicate.
3. Materiale electroizolante solide
Materiale electroizolante solide:
- organice – rasini naturale si sintetice,materiale plastice presate,materiale plastice stratificate,produse pe baza de celuloza,lacuri electroizolante,compunduri si bitumuri.
- anorganice – sticla,mica,azbestul,ceramica electrotehnica.
Rasinile sunt substante macromoleculare(nr.mare de atomi in molecula).Dupa modul de comportare la caldura pot fi termoplaste si termorigide.Cele termoplaste prin incalzire se inmoaie si prin racire se intaresc,ciclul putandu-se repeta.Cele termorigide prin incalzire ard si se distrug.
Rasini naturale:
a) selacul(de origine animala) – este produsul fiziologic al unor insecte din India.Se confectioneaza lacuri electroizolante.
b) copaluri – chillimbar(de origine fosila) – se confectioneaza arcuri pentru pelicule dure.
c) colofomul-sacaz(de origine vegetala) – se obtine din rasina unor conifere.Prin dizolvare in ulei se obtine masa galbena folosita la umplerea mansoanelor cablurilor.
Rasini sintetice:
a) rasini de polimerizare
- polistirenul – este o rasina nehidroscopica folosita ca material izolant si ca izolator electric in circuite de inalta frecventa.
- polietilena – este folosita la izolarea cablurilor in medii umede putand fi obtinuta in 2 variante:joasa presiune-inalta densitate si inalta presiune-joasa densitate.
- PCV(policlorura de vinil) – se utilizeaza simpla sau cu material din umplutura cu plastefianti sau coloranti.Nu se utilizeaza ca izolant in current continuu.
- PTFE(teflonul) – este rezistent la temperature ridicate si de asemenea la agenti chimici.
b) rasini de policondensare
- bachelita – capace si carcase de aparate electrice si lacuri electroizolante care sunt de diferite culori.
- aminoplaste – sunt transparente avand aceleasi utilizari ca si bachelita.
- poliamide(relon,naylon) – fire si fibre sintetice pentru izolarea conductoaelor si in tesaturi.
- poliesteri(nylar) – folosit in inalta frecventa.
c) rasini de poliaditie
- epoxidice si poliurotanice – au caracteristici adezive.Se utilizeaza pentru impregnarea infasurarilor,a bobinelor si rigidizarea circuitelor electronice,cresc rezistenta mecanica si rezistenta de izolatie,nu absorb apa, iar caldura se evacueaza mai usor.Se mai folosesc la lipirea diverselor materiale.
Materiale plastice presate
Se foloseste un liant(lac electroizolant – rasini)si un material de umplutura organic(rumegus)si anorganic(sticla,mica azbest).
Materiale plastice sratificate
Se obtin prin presarea la cald a mai multor straturi de hartie – pertinax,din bumbac – textolit,din fibre de sticla – sticlotextolit,de furnir de lemn – fanerit.
Produse pe baza de celuroza
Celuloza este o substanta macromoleculara,obtinuta din lemn de conifere,stuf,in,canepa.Toate produsele sunt hidroscopice si de aceea se impregneza inainte de utilizare. Hartiile:hartie pentru cablu,de condensator,de impregnare si rulare, de telefonie,de tole,hartie acetilata si hartie suport.
Cartonul electrotehic(prespan) – se obtine prin presarea la cald a mai multor strate de hartie umeda.Se foloseste la izolarea infasurarilor pentru masini electrice.
Lemnul este utilizat ca material de umplutura(rumegus),stalp pentru linii aeriene,etc.Toate produsele din lemn se impregneaza cu lacuri si uleiuri,crescand rigiditatea electrica de la 20 la 70KV/cm.
DIODE SEMICONDUCTOARE
Cele mai des folosite diode semiconductoare sunt diode le redresoare .
Ele funcţionează datorita proprietăţii de a se comporta diferit la tensiuni de polarizare directe şi tensiuni de polarizare inverse.
Astfel la tensiuni de polarizare directe rezistenţa directă este foarte mică iar la polarizarea inversă rezistenţa inversă este foarte mare.
Datorită acestei proprietăţi ca la aplicarea unei tensiuni alternative ele funcţionează pe alternanţa pozitivă conducând un curent mare (de ordinul mA sau A).
Pe alternanţa negativă se vor bloca lăsând să treacă curenţi foarte mici de ordinul mA sau mA care pot fi neglijaţi.
Acest proces de transformare a unui semnal alternativ într-un semnal continuu poarta numele de REDRESARE .
Aceste diode sunt folosite la construcţia redresoarelor care lucrează cu semnale mari şi frecvenţe mici (50Hz )
Se pot realiza atât din germaniu cât şi din siliciu - cele cu siliciu au următoarele avantaje faţă de cele cu germaniu:
- Curentul invers este mult mai mic.
- Tensiunea de străpungere este mult mai mare
- Temperatura maximă de lucru de 190 grade faţă de 90 grade la germaniu
Performanţele unei diode redresoare sunt caracteristice prin 2 mărimi limită care nu trebuie depăşite în timpul funcţionării :
- Intensitatea maximă a curentului direct
- Tensiunea inversă maximă.
DIODA ZENER Este o diodă stabilizatoare de tensiune. Funcţionarea ei se bazează pe proprietatea joncţiunii p-n de a avea in regiunea de străpungere o tensiune la borne constantă într-o gamă largă de variaţie a curentului invers.
Dioda funcţionează intr-un regim de străpungere controlat în care atât curentul cât şi puterea disipată sunt menţinute la valori pe care dioda le poate suporta în regim permanent fără să se distrugă.
Dioda zener este construită din siliciu
-când este polarizată direct (+ pe anod şi – pe catod) funcţionează ca o diodă cu joncţiune.
-când este polarizată invers (- pe anod şi + pe catod) funcţionează în regim de străpungere.
Funcţionarea diodei zener este caracteristică următoarelor mărimi:1 Tensiunea de stabilizare ( este tensiunea la care apare regimul de străpungere; poate avea valori între 4-200 V)
2 Rezistenţa dinamică (este rezistenţa internă a diodei în regiunea de străpungere) Rd = DU/DI
- cu cât rezistenţa dinamică este mai mică cu atât tensiunea diodei este mai mică.
3 Curentul invers maxim (este valoare maximă a curentului pe care o poate suporta dioda fără să se deterioreze)
4 Putere maximă disipată (este produsul dintre tensiunea de străpungere şi curentul invers maxim; are valori cuprinse între 0,2-50 W)
5 Coeficientul de temperatură a tensiunii de stabilizare care reprezintă variaţia tensiunii de stabilizare pentru o variaţie a temperaturii de 1grad C
Sz = DU/DT Uz
- acest coeficient este negativ pentru tensiunea la bornele diodei adică Uz mai mic de 6V şi pozitiv pentru tensiuni mai mari de 6V.
Dioda cu contact punctiform Este folosită pentru frecvenţe înalte. Este alcătuită din: - o capsulă de sticlă străbătută de 2 electrozi metalici. La capătul unui electrod se găseşte un monocristal de germaniu (semiconductor de tip n). Celălalt electrod se continuă cu un conductor de wolfram care vine în contact cu monocristalul.
Dacă se trece un impuls de curent scurt dar puternic la contactul dintre conductori şi monocristal în interiorul acestuia din urmă se formează o regiune de tip p .
Apare astfel o joncţiune de tip p-n de suprafaţă foarte mică, cu o capacitate foarte mică ( < 1pF )
Datorită acestei joncţiuni dioda funcţionează la frecvenţe foarte înalte. Acest tip de diodă poate fi folosit ca detector, schimbător de frecvenţă sau ca diodă de comutaţie.
Dioda VARICAP
Sunt diode cu joncţiune care funcţionează în regim de polarizare invers până la valoarea de străpungere .
Aceste diode utilizează proprietatea joncţiunii p-n de a se comporta ca o capacitate ce depinde de tensiunea continuă de polarizare inversă (acesta este capacitatea de barieră).
Această posibilitate de a varia o capacitate într-un circuit prin varierea unei surse de polarizare este necesară în circuitele de schimbare a frecvenţei. Circuitele de reglaj automat al frecvenţei precum şi modulaţia frecvenţei.
Diodele varicap au capacităţi de ordinul pF sau zecilor de pF şi se construiesc din siliciu pentru a avea o rezistenţă internă mai mare în polarizarea inversă.
În acest fel ele pot fi asimilate cu un condensator cu pierderi neglijabile.
DIODA TUNEL
Are o concentraţie mare de impurităţi ducând la micşorarea lăţimi regiunii de trecere până la (10la-2 microni).
Datorită acestei lăţimi mici o variere de potenţial; apare un fenomen numit efectul tunel. Datorită acestui efect electronii pot învinge bariera de potenţial chiar dacă lipseşte energia suplimentară.
Datorită acestui efect apare curentul tunel care se suprapune peste curentul normal al unei joncţiuni p-n modificând caracteristica curent-tensiune, caracteristică ce se deosebeşte de cea a unei diode semiconductoare prin:- în regiunea de polarizare inversă dependenţa curent-tensiune este liniară deci dioda nu prezintă conducţie unilaterală
- în regiunea polarizării directe pentru valori mici ale tensiunii caracteristica are formă de „N”.
Această caracteristica arată ca pe o anumită porţiune la creşteri ale tensiunii corespund mişcări ale curentului.
În acest domeniu dioda prezintă o rezistenţă negativă care de obicei este de valoarea zecilor de ohmi
Pentru o bună funcţionare este de dorit ca raportul dintre curentul maxim şi curentul minim să fie cât mai mare.
Dacă se foloseşte material semiconductor, arseniura de galiu acest raport depăşeşte valoare 15.
Dioda tunel lucrează la puteri mici de ordinul waţilor.
Caracteristica diodei nu depinde de variaţiile de temperatură de aceea ea poate lucra la frecvenţe foarte înalte de ordinul 10 la a 4 MHz.
Datorită caracteristicii în „N” şi a funcţionării la frecvenţe această diodă este folosită la realizarea următoarelor circuite:
1. Amplificatoare de frecvenţe foarte înalte
2. Oscilatoare de frecvenţe foarte înalte
3. circuite basculante monostabile, bistabile şi astabile
Dezavantajul diodei tunel este că are numai două borne şi deci nu se poate face separarea între circuitul de intrare şi cel de ieşire.
Diagrama simplificata a unei umpluturi de structura de banda electronica in tipuri variate de material, relativ nivelului Fermi EF (materialele sunt aratate in echilibru cu fiecare in parte) In metale si semimetale nivelul Fermi consta in cel putin o banda, semimetalele continand mult mai putine puratoare de sarcina. In izolatori nivelul Fermi adanc intr-un gol interzis, in timp ce in semiconductoare benzile de langa nivelul Fermi au fost populate de electroni si gauri activabile termal.
|
Materialele semiconductoare sunt folosite la dispozitive precum:
Tranzistorul
Tranzistorul este un dispozitiv electronic din categoria semiconductoarelor care are cel puțin trei terminale (borne sau electrozi), care fac legătura la regiuni diferite ale cristalului semiconductor. Este folosit mai ales pentru a amplifica și a comuta semnale electronice și putere electrică.
Aspectul tranzistoarelor depinde de natura aplicației pentru care sunt destinate. În 2013 încă unele tranzistori sunt ambalate individual, dar mai multe sunt găsite încorporate în circuite integrate. Tranzistorul este componenta fundamentală a dispozitivelor electronice moderne, și este omniprezent în sistemele electronice. Ca urmare a dezvoltării sale la începutul anilor 1950, tranzistorul a revoluționat domeniul electronicii, și a deschis calea pentru echipamente electronice mai mici si mai ieftine cum ar fi aparate de radio, televizoare, telefoane mobile, calculatoare de buzunar, computere și altele. |
Celulă solarăO celulă solară constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 și 0,2 mm și sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni „p” și „n”. Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitație” a electronilor din material și va fi generat un curent electric.
Celulele, numite și celule fotovoltaice, au de obicei o suprafață foarte mică și curentul generat de o singură celulă este mic dar combinații serie, paralel ale acestor celule pot produce curenți suficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistență mecanică și la intemperii. |
Circuit integratCircuitul integrat, prescurtare în engleză: IC, de la integrated circuit, pronunție /ai si/ (v. AFI), prescurtare în română C.I., este un dispozitiv electronic alcătuit din mai multe componente electrice și electronice interconectate, pasive și active, situate pe o plăcuță de material semiconductor (făcută de exemplu din siliciu), dispozitiv care în cele mai multe cazuri este încapsulat într-o capsulă etanșă prevăzută cu elemente de conexiune electrică spre exterior, numite terminale sau pini („piciorușe”).
Un circuit integrat, mărit I se mai spune și "cip", de la cuvântul englez chip. Primul circuit integrat a apărut în 1959. |