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 transformăm într-un semiconductor. Cel mai frecvent utilizat material semiconductor de bază este siliciul. Siliciul are patru electroni de valență în stratul său exterioar, 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.

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 arseniu, antimoniu sau fosfor, ceea ce îl face extrinsec (se adaugă impurități). Acești atomi au cinci electroni externi în orbita lor extremă pentru ai 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".

Stibiul (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 stimulate 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.

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.

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.

Tranzistorul bipolar

Tranzistorul bipolar este un dispozitiv electronic activ cu trei terminale:

• emitorul (E);

• baza (B);

• colectorul (C).

Aceste trei terminale sunt plasate pe trei regiuni semiconductoare de conductibilitate diferită (p sau n) ale aceluiaşi cristal semiconductor (în general germaniu – Ge sau siliciu – Si).

Denumirea de tranzistor bipolar provine de la următoarea caracteristică: conducţia este asigurată de două tipuri de purtători de sarcină de polaritate diferită (electroni şi goluri). Tranzistorul bipolar se mai notează prescurtat TB.

Tranzistoarele sunt dispositive semiconductoare, care îndeplinesc condițiile necesare amplificării unor semnale.

Dacă la bornele de intrare ale punţii se aplică o tensiune sinusoidală cacea reprezentată grafic atunci, dacă amplitudinea acesteia este mai mare decât dublul tensiunii de deschidere a unei diode (tensiunea de trecere în

stare de conducţie), în alternanţa pozitivă vor conduce diodele D1 şi D4 iar înalternanţa negativă, diodele D2 şi D3. Astfel, prin rezistenţa R curentul vacircula în acelaşi sens în ambele semiperioade, obţinându-se la bornele ei o tensiune redresată. În fiecare jumătate de perioadă tensiunea la bornelere zistenţei, deci şi curentul prin ea, vor avea aspectul unor jumătăţi pozitive de sinusoidă (fig., curba subţire). Aceasta este redresarea bialternanţă. Amplitudinea tensiunii redresate este mai mică datorită căderilor de tensiune pe joncţiunile celor două diode aflate simultan în stare de conducţie. Când tensiunile redresate sunt mari, această pierdere este neglijabilă.

Neajunsuri

Pentru majoritatea aplicațiilor de putere, redresarea mono-alternanță nu este suficientă. Conținutul armonic al undei de ieșire este foarte mare și prin urmare dificil de filtrat. Mai mult, sursa de tensiune alternativă este „văzută” de sarcină doar odată la fiecare jumatate de perioadă, ceea ce înseamnă că o mare parte din capacitatea sursei nu este folosită.