Benzi de energie

Pentru a explica interactiunile din atom au fost introduse patru numere cuantice ce caracterizeaza starile stationare ale electronului in atom:
¤    n - numarul cuantic principal care cuantifica valoarea enrgiei totale, ia valorile 1, 2, 3, 4 ,5 ,6 si 7 ;
¤    l - numarul cuantic orbital cuantifica marimea momentului cinetic orbital ia "n" valori de la 0 pana la n-1( L=rp=rmv);
¤    m - numarul cuantic magnetic orbital care cuantifica proiectia vectorului moment cinetic pe o directie data, ia 2l+1 valori de la -l , 0 , +l;
¤    m_s-numarul cuantic magnetic de spin, defineste proiectia pe o axa a momentului cinetic de spin, ia doua valori ±1/2 .
Intr-un cristal fiecare nivel energetic discret al atomului caracterizat de aceleasi numere cuantice n si l [atomul poate avea 2(2l+1) electroni] se transforma intr-o banda energetica. Notiunea de banda energetica se refera la starea energetica a electronilor dintr-un solid. Banda de energie poate fi:
¤    banda de valenta care provine de la un nivel energetic discret al atomului pe care se afla electronii de valenta;
¤    banda de conductie care este formata din nivelele discrete libere ale atomului, situate deasupra nivelului de valenta al atomului ;
¤     banda interzisa este situata intre banda de valenta si banda de conductie (nu exista nivele energetice pentru electroni. Vezi figura a)

Semiconductori

Dupa gradul de ocupare cu electroni a benzilor de energie, corpurile solide se clasifica in:
metale care au deasupra ultimei benzi complet ocupate cu electroni o banda partial ocupata cu electroni;
izolatoare si semiconductoare care deasupra benzii complet ocupate cu electroni au o banda de conductie.
In functie de largimea benzii interzise E_g corpurile solide se clasifica in
izolatoare cand E_g > 3eV=3·1.6·10^-19j
semiconductoare cand E_g < 3eV
Intr-un cristal semiconductor (germaniu sau siliciu) fiecare atom contribuie la formarea legaturii covalente - punerea in comun de electroni - cu cei patru electroni de valenta. Fiecare atom este inconjurat, la distante egale, de alti patru atomi. La formarea unei legaturi fiecare atom participa cu cate un electron si astfel toti cei patru electroni de valenta participa la formarea legaturilor covalente. Practic toti electronii sunt legati de nucleele lor, de aceea ar trebui ca semiconductorii sa nu conduca curentul electric. In realitate datorita agitatiei termice exista probalitatea ca electronii periferici sa paraseasca atomii de care apartin si sa devina liberi participand la conductie. Odata cu cresterea temperaturii, concentratia electronilor de conductie creste. Aparitia purtatorilor de sarcina liberi care participa la conductie poate fi explicata si in modelul benzilor energetice. Un rol esential in aparitia purtatorilor de sarcina liberi il au banda de valenta si banda de conductie. Pentru ca un electron sa treaca din banda de valenta in banda de conductie, electronul trebuie sa primeasca o energie mai mare decat largimea benzii interzise E_g (vezi figura b)), energie pe care o primeste fie prin excitare termica (ridicarea temperaturii), fie prin iradiere. Aducerea unui electron in banda de conductie este echivalenta cu aparitia unui electron liber in banda de conductie si formarea unui gol sau a unei stari energetice libere in banda de valenta (in locul ramas liber prin trecerea electronului in banda de conductie). Golul se comporta ca si cand el ar fi o particula cu sarcina electrica pozitiva Daca semiconductorului i se aplica o tensiune electrica , atunci sub actiunea campului electric electonii de conductie se vor deplasa in banda de conductie in sens opus campului electric , iar golurile din banda de valenta se vor deplasa in sensul campului electric. Vezi figura b). In concluzie, in semiconductori pot exista doua tipuri de conductie:
¤ - conductie electronica, determinata de deplasarea electronilor liberi din banda de conductie;
¤ - conductie de goluri, determinata de deplasarea golurilor din banda de valenta.
Daca semiconductorul nu contine impuritati, atunci la conductie participa perechile electron-gol formate prin agitatie termica sau prin iradiere. In acest caz conductia este intrinseca, semiconductorii cu conductie intrinseca se numesc semiconductori intrinseci. In semiconductorii intrinseci generarea este insotita de aparitia perechilor electro-gol, concentratia electonilor liberi n_o este egala cu concentratia golurilor p_o

n_o = p_o = n_i

In cazul semiconductorilor se pot modifica proprietatile electrice prin introducerea controlata de impuritati in reteaua cristalina In functie de natura atomilor de impuritare deosebim:
¤ - Impuritati donoare, sunt atomi pentavalenti care inlocuiesc atomi de baza de siliciu sau de germaniu. Fiecare atom pentavalent se inconjoara echidistant de patru atomi de baza (Si, Ge), cu patru din cei cinci electroni de valenta formeaza covalente cu atomii vecini , iar al cinci-lea electron este donat retelei devenind electron liber care participa la conductie . Atomul pentavalent se transforma in ion pozitiv legat de retea , deci nu participa la conductie . In semiconductorii cu impuritati donoare purtatorii de sarcina majoritari sunt electronii de conductie ( conductie extrinseca de tip n . Din acest motiv semiconductorii cu impuritati donoare sunt numiti semiconductori extrinseci de tip n . Mecanismul conductiei poate fi explicat si in modelul benzilor energetice . Atomii donori dau nivele energetice mai apropiate de banda de conductie . Energia de ionizare a nivelelor donoare este foarte mica , astfel ca electronii pot trece usor de pe nivelul donor in banda de conductie . In urma acestui transfer apare un electron de conductie si un ion pozitiv legat de retea . Vezi figura c).
¤ - Impuritati acceptoare. Cristalul semiconductor este dopat cu impuritati trivalente, fiecare atom trivalent este inconjurat la aceeasi distanta de atomi tetravalenti (Si,Ge), cu cei trei electroni formeaza covalente cu atomi vecini,iar a patra legatura o formeaza acceptand un electron de la un atom de baza al retelei aflat in apropiere. Apare o legatura chimica nesatisfacuta, care este echivalenta cu un gol liber ce participa la conductie, iar atomul acceptor se transforma in ion negativ legat de retea. Aceasta conductie este determinata de golurile pozitive majoritare, de aceea conductia se numeste conductie extrinseca de tip p, iar semiconductorii se numesc semiconductori extrinseci de tip p.

Efectul fotoelectric intern

Daca un semiconductor este iradiat cu radiatie electromagnetica de o anumita lungime de unda, acesta devine bun conducator de electricitate, datorita faptului ca atomii absoarb fotoni si energia fotonilor este folosita la emisia de electroni in interiorul semiconductorului. Fenomenul este cunoscut sub numele de efect fotoelecric intern sau fotoconductibilitate. Sa presupunem ca pe suprafata unui semiconductor cade un fascicul de lumina, daca energia fotonilor absorbiti este (E_g ≤ hν) mai mare sau egala cu largimea benzii interzise atunci un electron din banda de valenta trece in banda de conductie participand la conductie, iar in locul lui in banda de valenta apare un gol liber ce participa si el la conductie. Vezi procesul 2 din figura d). In cazul semiconductorilor intrinseci concentratia electronilor liberi aparuti prin iradiere este egala cu concentratia golurilor. Cand energia fotonilor incidenti este mai mare sau egala cu energia nivelelor donoare (hν ≥ E_r), nu toti fotonii incidenti vor genera perechi electron - gol, ci numai o parte, restul vor interactiona cu atomii donori producand electroni liberi in banda de conductie. La fel se intampla si in cazul semiconductorilor impuritati acceptoare, numai ca de data aceasta se genereaza goluri in banda de valenta. Vezi procesul 1 din figura d).

Aplicatii

Prin iradierea cu o radiatie potrivita a unui dispozitiv semiconductor conectat intr-un circuit electric, in circuit apare un curent electric a carui intensitate creste odata cu cresterea fluxului radiatiilor, la aceeasi tensiune electrica aplicata circuitului. Rezulta ca sub actiunea radiatiilor semiconductorul si-a micsorat rezistenta electrica. Dispozitivul semiconductor a carui rezistenta electrica se micsoreaza sub actiunea radiatiilor se numeste fotorezistenta. Fotorezistentele sunt folosite in electronica, ca traductoare de semnale luminoase in semnale elecrice.
    Fotoelemente. Dispozitivul semiconductor cu jonctiune pn in care sub actiunea radiatiilor apare o tensiune electromotoare se numeste fotoelement. Jonctiunea pn este o portiune ingusta dintr-un cristal semiconductor in care are loc trecerea de la o conductie de tip p la o conductie de tip n cand se trece de la o extremitate la alta a portiunii semiconductoare. Jonctiunea pn se poate realiza prin difuzia de impuritati la temperaturi ridicate in cristalul semiconductor. Odata realizata jonctiunea elctronii din regiunea n vor difuza spre regiunea p unde se recombina cu golurile, lasand in urma lor ioni pozitivi legati de retea care formeaza sarcina spatiala pozitiva.

In acelasi timp golurile vor difuza spre regiunea n unde se recombina cu electronii, lasand in urma lor ioni negativi legati de retea. De-o parte si de alta suprafetei de separare a celor doua regiuni se formeaza o regiune de sarcina spatiala [Vezi figura a)], care genereaza un camp electric intern E_i orientat de la regiunea n spre regiunea p. Campul electric intern E_i se opune trecerii purtatorilor de sarcina majoritari de concentratii n_n si p_p prin jonctiune. In absenta unei tensiuni exterioare in regiunea de sarcina spatiala ia nastere o bariera de potential U_b. Golurile minoritare din regiunea n de concentratie p_n si electronii minoritari din regiunea p cu concentratia n_p sunt accelerati de campul electric intern E_i in sens opus deplasarii purtatorilor majoritari. La echilibru termic intensitatea curentului electric prin jonctiune este zero in absenta unei tensiuni electrice exterioare. Daca jonctiunii i se aplica o tensiune electrica exterioara U cu plus pe regiunea p si minus pe regiunea n (jonctiunea este polarizata direct), atunci tensiunea stratului de baraj devie U_b-U, [energia electronilor de conductie devine e(U_b-U)]. Odata cu scaderea tensiunii electrice a stratului de baraj, scade campul electric al stratului de baraj care se opune trecerii purtatorilor de sarcina electrica majoritari si creste intensitatea curentului electric din circuit. La polarizarea inversa cu tensiune electrica exterioara U( plus pe regiunea n si minus pe regiunea p ) , tensiunea stratului de baraj devie U_b+U . Intensitatea campului electric intern E_i creste favorizand difuzia purtatorilor minoritari producand un curent cu intensitatea de ordinul microamperilor ( 1μA = 10^-6 A ). Procesele descrise au loc la in absenta iluminarii . Daca jonctiunea pn este iluminata [vezi figurile a) si b)] in regiunea n si p sunt generati purtatori de sarcina liberi minoritari electroni si goluri . Golurile minoritare create in regiunea n si electronii minoritari creati in regiunea p sunt favorizati sa difuzeze prin jonctiune de campul electric intern Trecerea golurilor generate prin iradiere din regiunea n in regiunea p si a electronilor din regiunea p in regiunea n va determina o micsorare a intensitatii campului electric intern E_i , deci si a tensiunii electrce cu marimea U ( dela U_b la U_b - U ) . Rezulta ca in jonctiune sub actiunea radiatiilor apare o tensiune electromotoare .
Dispozitivele semiconductoare cu jonctiune pn in care sub actiunea radiatiilor apare o tensiune electromotoare se numesc fotoelemente
Fotoelementele se folosesc la constructia lumenmetrelor care masoara fluxul luminos, a luxmetrelor care masoara iluminarea, a exponometrelor, utilizate in practica fotografica, etc.