IV.1.3. Conducția electrică în semiconductori intrinseci și extrinseci.

• IV.1.3.1. Conducția electrică în semiconductori intrinseci.
• IV.1.3.2. Conducția electrică în semiconductori extrinseci.

Rezistența electrică a semiconductorilor scade considerabil cu creșterea temperaturii. Astfel, dacă unui semiconductor i se transmite suficientă energie de ordinul electron-voltului, electronii de valență vor deveni electroni liberi.

Energia minimă primită de electronii de valență pentru a deveni electroni liberi se numește energie de activare.

O altă caracteristică specifică semiconductorilor constă în tipul de conducție. Astfel, în materialele semiconductoare participă la conducție nu numai electronii liberi (ca în cazul metalelor), ci și electronii de valență legați de atom.

IV.1.3.1. Conducția electrică în semiconductori intrinseci.

În cazul cristalului de germaniu fiecare atom este înconjurat de alți patru atomi de germaniu. Atomul de germaniu (sau siliciu) este tetravalent, având 4 electroni de valență. Pentru a ajunge la configurația stabilă de octet, fiecare atom de Ge pune în comun câte un electron cu alți 4 atomi de germaniu vecini, situați în nodurile rețelei tetraedrice. Atomii vecini stabilesc legături covalente între ei prin punerea în comun a electronilor de valenţă (ultimul strat).

La T = 0 K nu există electroni liberi, semiconductorii fiind izolatori electrici.

Când temperatura crește, crește și agitația termică, astfel încât electronii pot părăsi legătura covalentă devenind electroni liberi. Locul părăsit de electron se manifestă ca o sarcină pozitivă, ca un gol. Ionii de Ge își completează legătura cu un alt electron de la un atom vecin. Alături de procesul de apariție a golurilor are loc și procesul de dispariție a golurilor prin recombinarea electronilor cu golurile create. Astfel se creează perechi electron-gol care au o mișcare dezordonată. La temperaturi diferite de 0 K numărul perechilor electron-gol ce se generează în unitatea de timp este egal cu numărul perechilor electron-gol ce se recombină în unitatea de timp.

Prin aplicarea unui câmp electric mișcarea electronilor și a golurilor devine o mișcare ordonată a acestora, astfel :
- electronii se mișcă în sens opus sensului câmpului electric în banda de conducție;
- golurile se mișcă în sensul câmpului electric în banda de valență.

În cazul semiconductorului pur, prin generarea unui număr de perechi electron-gol, se generează un număr de electroni liberi în banda de conducție și un număr egal de goluri în banda de valență.

Semiconductorul pur are concentrația de electroni liberi egală cu concentrația de goluri libere, fiind un semiconductor intrinsec.

IV.1.3.2. Conducția electrică în semiconductori extrinseci.

S-a constatat că un semiconductor intrinsec (pur) are o conductivitate mult mai mică decât un semiconductor cu impurități.

De exemplu, la 20 °C, germaniul are o conductivitatea σ = 2,2 Ω^-1 ∙ m^-1, față de germaniu impurificat cu fosfor care are conductivitatea σ = 100 Ω^-1 ∙ m^-1.

Pentru utilizarea semiconductorilor la fabricarea componentelor electronice, în reţeaua lor cristalină se introduc impurităţi, obţinându-se astfel semiconductori extrinseci, caracterizați de o conductivitate electrică mai bună decât a celor intrinseci. Se folosesc impurităţi de două tipuri:
- pentavalente (donoare), ca de exemplu As (arsen), P (fosfor), Sb(stibiu), Bi(bismut);
- trivalente (acceptoare), ca de exemplu Al (aluminiu), B (bor), Ga (galiu), In (indiu).

Modificarea în exces a numărului purtătorilor de sarcină de un anumit tip (electroni în banda de conducție, goluri în banda de valență) se poate face prin doparea sau impurificarea semiconductorului în procesul de obținere.

De exemplu, prin impurificarea germaniului (sau siliciului), ai cărui atomi au 4 electroni pe stratul de valență, se substituie atomi de germaniu cu atomi străini având 5 sau 3 electroni pe pătura de valență.

Dacă dopantul are 5 electroni pe pătura de valență (de exemplu, stibiul -Sb), atunci prin ionizare se vor crea în exces electroni liberi în banda de conducție. Dopantul se numește donor, iar semiconductorul extrinsec de tip n. Deci, în cazul semiconductorului extrinsec de tip n numărul de electroni în banda de conducție, generați prin ionizarea termică a donorilor, este mult mai mare decât cel al golurilor din banda de valență.

Dacă dopantul are 3 electroni pe stratul de valență (de exemplu, bor-B), atunci prin ionizare se vor crea în exces goluri libere în banda de conducție. Dopantul se numește acceptor, iar semiconductorul extrinsec de tip p.

Densitatea de curent totală este:

Viteza de transport a electronilor liberi este proporțională cu intensitatea câmpului electric :

Dacă notăm conductivitatea semiconductorului cu σ = e ∙( n₊ ∙ μ₊ + n_- ∙ μ_-), obținem forma locală a legii lui Ohm:

Știind că rezistivitatea ρ este inversul conductivității, obținem pentru vectorul densitate de curent :

🔦 Observație

Rezistivitatea este una dintre cele mai importante caracteristici ale semiconductoarelor. Controlul tehnologic al acesteia se realizează prin intermediul impurificării. Deoarece concentraţiile de purtători de sarcină (n şi p) sunt dependente de temperatură, la fel se va comporta şi rezistivitatea, care se micşorează cu creşterea temperaturii. În principiu, explicaţia fizică a acestui fenomen constă în creşterea concentraţiei de purtători de sarcină pe seama creării de perechi electron-gol prin mecanismele specifice semiconductorului intrinsec (agentul energetic fiind tocmai creşterea temperaturii). Rezultă că la creşterea temperaturii, semiconductoarele îşi pierd caracterul (n sau p), apropiindu-se de comportarea unui material intrinsec. Acesta este motivul pentru care, la proiectarea oricărui circuit cu dispozitive semiconductoare, insensibilizarea termică este o problemă ce trebuie rezolvată.