Clasificarea MS; Legatura covalenta

Clasificarea MS; Legatura covalenta

Pentru a stabili proprietatile pe care le implica tehnologia dispozitivelor semiconductoare trebuie mai intai studiate proprietatile si structura interna a materialelor cu proprietati semiconductoare.

Materialele semiconductoare (MS) sunt materiale a caror conductivitate electrica se situeaza intre conductoare si izolatoare, asa cum se prezinta in fig.1.

Fig.1. Conductivitatea tipica pentru izolatori, semiconductori si conductori.

In general, MS sunt rezistente neliniare si rezistivitatea lor este puternic influentata de defectele existente in structura cristalina a materialelor si de factorii externi ( tensiunea aplicata, iluminarea la care sunt supuse, temperatura etc.),  in timp ce la conductori acestea n-au practic nici o influenta.

Coeficientul de temperatura el rezistivitatii semiconductoarelor este negativ in domeniul de temperaturi ce intereseaza in tehnica, asemanandu-se din acest punct de vedere izolatorilor.

Clasificarea MS poate fi facuta dupa diferite criterii: chimic, fizic si functional.

In functie de numarul elementelor chimice care intra in structura chimica, exista MS elementare (in numar de 12, din grupa a patra a tabelului Mendeleev: C, Si, Ge, Sn; din grupa a treia: B; din grupa a cincea: P, As si Sb; din grupa a sasea: S, Se, si Te; din grupa a saptea: I) si MS compuse (in numar de cateva sute, compusi binari de tipul III-V, IV-IV, II-IV, II-V, II-VI, I-V, I-VI, III-VI etc.; compusi ternari de tipul I-III-V, II-IV-V, I-IV-VI, I-II-VI, IV-IV-VI etc.; compusi cuaternari de tipul I-IV-V-VI, CuPbAsS3; solutii solide Ge-Si, InAs-InSb, PbSe-PbTe etc.).

In functie de natura legaturii interatomice care sta la baza structurii lor MS se clasifica in urmatoarele categorii:

Semiconductoare cu legatura covalenta directionala, caracterizate prin rigiditate si duritate deosebite, cazul Si, Ge, Se, Te;

Semiconductoare cu legatura hibrida covalent-ionica, caracterizate de gradul de ionicitate (SiC - 18%, CdS - 69%, GaAs - 32%).

Din punctul de vedere al ordinii cristaline, MS se clasifica astfel:

S cu structura cristalina monoclinica - LiAs;

S cu structura cristalina ortorombica - CdAs₂, SnS, SnSe, Ag₂Te;

S cu structura cristalina trigonala - Bi₂Se, Sb₂Te₃;

S cu structura cristalina hexagonala - GaSe, ZnSb, CdSb;

S cu structura cristalina cubica - Si, Ge, SiC, GaP, GaAs, InSb;

S cu structura cristalina policristalina - As₂Se₃AsS₃.

Din punctul de vedere al functiilor de utilizare, MS se clasifica in:

functia de conductie comandata in tensiune electrica (camp electric);

functia de conversie optoelectronica;

functia de detectie a radiatiilor nucleare;

functia de conversie electrooptica;

functia de conversie termoelectrica;

functia de conversie magnetoelectrica (efectul Hall si efectul magnetorezistiv);

functia de conversie mecanoelectrica (efectul piezosemiconductor).

MS sunt utilizate la obtinerea dispozitivelor semiconductoare: tranzistoare, diode, etc. precum si la realizarea circuitelor integrate.

Dupa aparitia tranzistorului (1950), germaniul era principalul material semiconductor, dar prezenta dezavantajul curentului rezidual ridicat la temperaturi mari pecum si proprietati modeste ale oxidului de germaniu. Dupa 1960, siliciul devine inlocuitorul practic al germaniului, datorita:

- curentilor reziduali mult mai mici,

- proprietatilor remarcabile ale oxidului de de siliciu,

- considerente economice (costul siliciului monocristalin destinat dispozitivelor semiconductoare si a circuitelor integrate este cel mai scazut).

In ultimii ani, Si devine si el de multe ori inutilizabil datorita limitelor de performanta la frecvente ridicate sau in domeniu optic.

Astrfel au aparut materiale semiconductoare compuse (compusii intermetalici: SiC, GaP, GaAs, InSb, CdS etc.

Tipurile reprezentative de retele cristaline sunt determinate de caracterul si intensitatea fortelor de legatura din cristal. Legatura covalenta, ce caracterizeaza si modul de cristalizare pentru Ge si Si (cristalizeaza in sistemul cubic tip diamant), reprezinta una din cele mai puternice forte de legatura chimica. Particulele constituente tind sa-si formeze o configuratie electronica stabila; acest lucru realizandu-se de aceasta data prin punerea in comun a unor perechi de electroni de valenta, electronii fiind "colectivizati" doar partial intre doi atomi.

Siliciul, in prezent cel mai utilizat element pentru obtinerea materialelor semiconductoare, ca si celelalte materiale semiconductoare pure, la care atomii din reteaua cristalina sunt de un singur tip, din grupa a IV-a a tabelului periodic al elementelor, are structura sa, cu cei patru electroni de valenta, prezentata in fig.2.

Fig.2. Atomul de Si

La temperatura de 0⁰K, atomii de siliciu sunt legati prin legaturi covalente, asa cum se prezinta in fig.3, la care fiecare dintre acestia participa cu cate 4 electroni de valenta.

Fig.3. Legatura covalenta

In general, rezistivitatea semiconductoarelor pure (sau intrinseci) este prea mare pentru necesitati practice.

Revenind la diagrama benzilor energetice, la temperatura de 0⁰K, electronii sunt plasati numai in banda de valenta. Deoarece nu exista electroni de conductie (electroni liberi), in structura materialului semiconductor nu se genereaza curent electric.

Obs. Banda interzisa Fermi pentru siliciu, w_i ≈ 1eV, este prea mare pentru a permite trecerea, sub actiunea unui camp E, a unui numar suficient de mare de electroni din banda de valenta BV in banda de conductie BC, chiar la temperatura camerei.