Dacă rezistoarele reprezintă componenta pasivă cea mai elementară în circuitele electrice sau electronice, atunci trebuie să considerăm dioda de semnal ca fiind cea mai elementară componentă activă.

Dar, spre deosebire de un rezistor, o diodă nu se comportă liniar cu tensiunea aplicată deoarece are o relație exponențială I-V și, prin urmare, nu poate fi descrisă pur și simplu prin utilizarea legii lui Ohm ca pentru rezistoare.

Diodele sunt dispozitive semiconductoare unidirecționale de bază care vor permite curentului să treacă prin ele într-o singură direcție, acționând mai mult ca o supapă electrică cu o singură cale (cu condiția de polarizare directă).

Diodele sunt realizate dintr-o singură bucată de material semiconductor care are o "regiune P" pozitivă la un capăt și o "regiune N" negativă la celălalt și care are o valoare de rezistivitate undeva între cea a unui conductor și a unui izolator. Dar ce este un material "semiconductor"?

Rezistivitatea

Rezistența electrică a unui component sau a unui dispozitiv electric sau electronic este, în general, definită ca fiind raportul dintre diferența de tensiune pe el și curentul care trece prin el, conform legii lui Ohm. Problema utilizării rezistenței pentru o măsurătoare este aceea că depinde foarte mult de dimensiunea fizică a materialului măsurat, precum și de materialul din care este fabricat. De exemplu, dacă am spori lungimea materialului (făcându-l mai lung), rezistența acestuia ar crește și ea proporțional.

De asemenea, dacă am crescut diametrul sau mărimea (făcându-l mai gros), valoarea rezistenței sale ar scădea. Așadar, vrem să definim materialul astfel încât să indice capacitatea lui de a conduce sau de a se opune curentului electric prin el, indiferent de mărimea sau forma acestuia.

Cantitatea care este folosită pentru a indica această rezistență specifică se numește rezistivitate și este dată de simbolul grec ρ, (Ro). Rezistivitatea este măsurată în Ohm-metri ( Ω.m ). Rezistivitatea este inversul conductivității.

Dacă se compară rezistivitatea diferitelor materiale, acestea pot fi clasificate în trei grupe principale: conductoare, izolatoare și semiconductoare, după cum se arată mai jos.

Clasificare rezistivitate

Conductoarele

Conductoarele sunt materiale care au valori foarte scăzute ale rezistivității, de obicei în micro-ohmi pe metru. Această valoare scăzută le permite să treacă cu ușurință un curent electric, datorită faptului că există o mulțime de electroni liberi care circulă în interiorul structurii atomice de bază. Dar acești electroni vor curge printr-un conductor doar dacă există ceva care să le stimuleze mișcarea, și așa ceva este o tensiune electrică.

Atunci când un potențial de tensiune pozitiv este aplicat materialului, acești "electroni liberi" părăsesc atomul lor parental și călătoresc împreună prin material formând un curent de electroni. Cum se pot deplasa acești electroni "liber" printr-un conductor depinde de cât de ușor se pot elibera de atomii lor constituenți când se aplică o tensiune. Atunci, cantitatea de electroni care circulă depinde de valoarea rezistivității pe care o are conductorul.

Exemple de conductoare bune sunt, în general, metale cum ar fi cupru, aluminiu, argint sau nemetale, cum ar fi carbonul, deoarece aceste materiale au foarte puțini electroni în "stratul de valență" exterior, ceea ce duce la scoaterea lor ușoară de pe orbita atomului.

Aceasta le permite să circule liber prin material până când se alătură altor atomi, producând un "efect de domino" prin material, creând astfel un curent electric. Cuprul și aluminiul sunt conductoarele principale utilizate în cablurile electrice, așa cum se arată.

În general, majoritatea metalelor sunt bune conductoare de energie electrică, deoarece au valori foarte mici de rezistență, de obicei în zona micro-ohmi pe metru (μΩ/m).

În timp ce metalele cum ar fi cuprul și aluminiu sunt conductoare foarte bune de energie electrică, ele încă mai au o anumită rezistență la fluxul de electroni și, prin urmare, nu conduc perfect.

Energia pierdută în procesul de trecere a unui curent electric apare sub formă de căldură, motiv pentru care conductoarele și în special rezistoarele devin fierbinți. De asemenea, rezistivitatea conductoarelor crește cu temperatura ambiantă, deoarece metalele sunt, de asemenea, bune conductoare de căldură în general.

Izolatoare

Izolatoarele, pe de altă parte, sunt exact opusul conductoarelor. Acestea sunt realizate din materiale, în general nemetale, care au foarte puțini sau nu au "electroni liberi" care circulă în interiorul structurii atomice de bază, deoarece electronii din stratul exterior de valență sunt puternic atrași de nucleul interior încărcat pozitiv.

Cu alte cuvinte, electronii sunt blocați la atomul părinte și nu se pot mișca liber, în așa fel încât, dacă se aplică o potențială tensiune pe material, nu va circula curent, deoarece nu există "electroni liberi" disponibili pentru a se deplasa și care dă acestor materiale proprietăți izolatoare.

Izolatoarele au, de asemenea, rezistențe foarte ridicate, milioane de ohmi pe metru și, în general, nu sunt afectate de schimbările normale de temperatură (deși la temperaturi foarte ridicate lemnul devine cărbune și se schimbă de la un izolator la un conductor). Exemple de bune izolatoare sunt marmura, cuarț topit, materiale plastice, cauciuc etc.

Izolatoarele joacă un rol foarte important în circuitele electrice și electronice, deoarece fără ele circuitele electrice s-ar scurtcircuita împreună și nu ar funcționa. De exemplu, izolatoarele din sticlă sau din porțelan sunt utilizate pentru izolarea și susținerea cablurilor de transmisie suspendate, în timp ce materialele rășinoase din sticlă epoxidică sunt folosite pentru a face plăci de circuite imprimate, PCB-uri etc., în timp ce PVC este folosit pentru a izola cablurile electrice, așa cum se arată.

Principiile semiconductoarelor

Materialele semiconductoare, cum ar fi siliciu (Si), germaniu (Ge) și arseniura de galiu (GaAs), au proprietăți electrice undeva la mijloc, între cele ale unui „conductor“ și un „izolator“. Ele nu sunt bune conductoare și nici bune izolatoare (de aici și numele lor "semiconductoare"). Ele au foarte puțini "electroni liberi", deoarece atomii lor sunt strâns grupați împreună într-un model cristalin numit "structură de cristal", dar electronii sunt încă capabili să circule, dar numai în condiții speciale.

Abilitatea semiconductoarelor de a conduce electricitatea poate fi mult îmbunătățită prin înlocuirea sau adăugarea anumitor atomi donatori sau acceptori la această structură cristalină, producând astfel mai mulți electroni liberi decât goluri sau invers, adică adăugând un procent mic de alt element materialului de bază, fie siliciu, fie germaniu.

Pe cont propriu, siliciul și germaniul sunt clasificate ca semiconductoare intrinseci, adică sunt pure din punct de vedere chimic, conținând doar material semiconductor. Dar, prin controlul cantității de impurități adăugate la acest material semiconductor intrinsec, se poate controla conductivitatea acestuia. Diferite impurități numite donatori sau acceptori pot fi adăugate la acest material intrinsec pentru a produce electroni sau goluri libere, respectiv.

Acest proces de adăugare a atomilor donatori sau acceptori la atomii semiconductorului (de ordinul unui atom de impuritate la 10 milioane (sau mai mulți) atomi ai semiconductorului) se numește dopare. Deoarece siliciul dopat nu mai este pur, acești atomi donatori și acceptori sunt denumiți în mod colectiv "impurități" și prin doparea acestui material de siliciu cu un număr suficient de impurități îl putem transforma într-un semiconductor.

Cel mai frecvent utilizat material semiconductor de bază este de departe siliciul. Siliconul are patru electroni de valență în stratul său exterior, care este pus împreună cu atomii de siliciu vecini pentru a forma orbite pline de opt electroni. Structura legăturii dintre cei doi atomi de siliciu este astfel încât fiecare atom împarte un electron cu vecinul său, făcând legătura foarte stabilă.

Deoarece există foarte puțini electroni liberi disponibili pentru a se deplasa în cristalele de siliciu, cristalele de siliciu pur (sau germaniu) sunt, prin urmare, bune izolatoare sau, cel puțin, rezistoare de valoare foarte mare.

Atomii de siliciu sunt aranjați într-un model simetric clar, făcându-i o structură solidă cristalină. Un cristal de siliciu pur (dioxid sau sticlă de siliciu) este, în general, considerat a fi un cristal intrinsec (nu are impurități) și, prin urmare, nu are electroni liberi.

Însă simpla conectare a unui cristal de siliciu la o baterie nu este suficientă pentru a extrage un curent electric din acesta. Pentru a face acest lucru trebuie să creăm un pol "pozitiv" și unul "negativ" în siliciu, permițând electronilor și, deci, curentului electric să curgă din siliciu. Acești poli sunt creați prin doparea siliciului cu anumite impurități.

Structura unui atom de siliciu

Diagrama de mai sus prezintă structura unui cristal "pur" normal de siliciu.

Principiile semiconductorului tip N

Pentru ca cristalul nostru de siliciu să producă electricitate, trebuie să introducem în structura cristalină un atom de impuritate, cum ar fi arsenic, antimoniu sau fosfor, ceea ce îl face extrinsec (se adaugă impurități). Acești atomi au cinci electroni externi în orbita lor extremă pentru a-i împărți cu atomii vecini și sunt în mod obișnuit numiți impurități "pentavalente".

Acest lucru permite ca patru din cei cinci electroni orbitali să se lege cu atomii de siliciu din vecinătate, lăsând un "electron liber" să devină mobil atunci când este aplicată o tensiune electrică (fluxul de electroni). Deoarece fiecare atom de impuritate "donează" un electron, atomii pentavalenți sunt în general cunoscuți ca "donatori".

Antimoniul (simbol Sb), precum și fosforul (simbol P), sunt frecvent utilizate ca aditivi pentavalenți la siliciu. Antimoniul are 51 de electroni aranjați în cinci straturi în jurul nucleului său, cu orbita cea mai îndepărtată având cinci electroni. Materialul de bază al semiconductorului are un exces de electroni purtători de curent, fiecare cu o sarcină negativă și, prin urmare, este referit ca un material de tip N cu electronii numiți "purtători majoritari", în timp ce golurile rezultate sunt numite "purtători minoritari".

Atunci când sunt stimulați de o sursă de energie externă, electronii eliberați din atomii de siliciu, prin această stimulare, sunt înlocuiți rapid de electronii liberi disponibili de la atomii dopați de antimoniu. Dar această acțiune lasă în continuare un electron suplimentar (electronul eliberat) care plutește în jurul cristalului dopat, făcându-l încărcat negativ.

Atunci, un material semiconductor este clasificat ca tip N atunci când densitatea donatorului este mai mare decât densitatea acceptorului său, cu alte cuvinte are mai mulți electroni decât goluri, creând astfel un pol negativ așa cum este arătat.

Atomul de antimoniu și doparea

Diagrama de mai sus prezintă structura atomului donator de impuritate al antimonului.

Principiile semiconductorului tip P

Dacă mergem pe altă cale și introducem o impuritate "trivalentă" (3-electroni) în structura cristalină, cum ar fi aluminiu, bor sau indiu, care au doar trei electroni de valență disponibili în orbita lor exterioară, a patra legătură închisă nu poate fi formată. Prin urmare, o conexiune completă nu este posibilă, oferind materialului semiconductor o abundență de purtători încărcați pozitiv, cunoscuți sub numele de goluri în structura cristalului, unde electronii lipsesc efectiv.

Deoarece există acum un gol în cristalul de siliciu, un electron vecin este atras de el și va încerca să se miște spre gol pentru a-l umple. Dar, electronul care umple golul lasă un alt gol în locul lui în timp ce se mișcă. Aceasta, la rândul său, atrage un alt electron care, la rândul său, creează un alt gol în spatele lui și așa mai departe, dând aspectul că golurile se mișcă ca o sarcină pozitivă prin structura cristalină (fluxul convențional de curent).

Această mișcare de goluri duce la o lipsă de electroni în siliciu, transformând întregul cristal dopat într-un pol pozitiv. Deoarece fiecare atom de impuritate generează un gol, impuritățile trivalente sunt în general cunoscute sub numele de "acceptori", deoarece aceștia continuă să "accepte" electroni suplimentari sau liberi.

Borul (simbol B) este utilizat în mod obișnuit ca aditiv trivalent deoarece are doar cinci electroni aranjați în două straturi în jurul nucleului său, cu orbita exterioară având doar trei electroni. Doparea atomilor de bor provoacă o conducție care constă în principal din purtători de sarcină pozitivi, rezultând un material de tip P, cu golurile pozitive denumite "purtători majoritari", în timp ce electronii liberi sunt numiți "purtători minoritari".

Atunci, un material de bază pentru semiconductori este clasificat ca tip P atunci când densitatea acceptorului este mai mare decât densitatea donatorului. Prin urmare, un semiconductor de tip P are mai multe goluri decât electroni.

Atomul de bor și doparea

Diagrama de mai sus prezintă structura atomului de impuritate acceptor Bor.

Rezumat Principiile semiconductoarelor

Tip N (de exemplu dopat cu antimoniu)

Acestea sunt materiale care au atomi de impuritate pentavalenți (donatori) adăugați și conduc prin mișcarea „electronilor“, de aceea sunt numite semiconductoare de tip N.

În semiconductoare de tip N există:

1. Donatorii sunt încărcați pozitiv.

2. Există un număr mare de electroni liberi.

3. Un număr mic de goluri în raport cu numărul de electroni liberi.

4. Doparea oferă:

donatori încărcați pozitiv.
electroni liberi încărcați negativ.

5. Alimentarea cu energie dă:

electroni liberi încărcați negativ.
goluri încărcate pozitiv.

Tip P (de exemplu dopat cu bor)

Acestea sunt materiale care au atomi de impuritate trivalenți (acceptori) adăugați și conduc prin mișcarea „golurilor“, de aceea se numesc semiconductoare de tip P.

În aceste tipuri de materiale sunt:

1. Acceptorii sunt încărcați negativ.

2. Există un număr mare de goluri.

3. Un număr mic de electroni liberi în raport cu numărul de goluri.

4. Doparea oferă:

acceptori încărcați negativ.
goluri încărcate pozitiv.

5. Alimentarea cu energie dă:

goluri încărcate pozitiv.
electroni liberi încărcați negativ.

și ambele tipuri N și P ca un întreg, sunt neutre din punct de vedere electric, pe cont propriu.

Antimoniul (Sb) și borul (B) sunt doi dintre cei mai frecvent utilizați agenți de dopare deoarece sunt mai ușor disponibili în comparație cu alte tipuri de materiale. Ele sunt, de asemenea, clasificați ca "metaloide". Cu toate acestea, tabelul periodic grupează împreună un număr de alte elemente chimice diferite, fie cu trei, fie cu cinci electroni, în stratul lor orbital exterior, făcându-le adecvate ca material de dopare.

Aceste alte elemente chimice pot fi utilizate ca agenți de dopare cu un material de bază, fie siliciu (Si), fie germaniu (Ge), pentru a produce diferite tipuri de materiale semiconductoare de bază utilizate în componente semiconductoare electronice, în aplicații cu microprocesor și celule solare. Aceste materiale semiconductoare suplimentare sunt prezentate mai jos.

Tabelul periodic al semiconductoarelor

În următorul tutorial despre semiconductoare și diode, ne vom uita la îmbinarea celor două materiale de bază de tip semiconductor, materiale tip P și tip N pentru a forma o joncțiune PN care poate fi folosită pentru a produce diode.

REFERINȚE:

Materiale semiconductoare1

Materiale semiconductoare

Fizica semiconductoarelor