1. Semiconductori
Iankovszky Cristina

2. Cuprins:
 Benzile de energie. Conductori, semiconductori, izolatori
 Semiconductori intrinseci
 Semiconductori extrinseci
 Probleme
 Jonc iunea pn. Dioda semiconduc toareţ
 Caracteristicile diodei semiconductoare
 Trasarea experimental a caracteristicilor diodeiă
semiconductoare
 Redresarea curentului alternativ
 Probleme

3. Benzile de energie.
Conductori, semiconductori, izolatori
Banda de valenta
Banda de conductie
Banda
interzisa
Niveleenergetice
Banda de energie provenită
de la nivelul energetic discret
al atomului pe care se află
electronii de valen seţă
nume te band de valen .ş ă ţă
Gradul de ocupare cu
electroni a nivelelor
energetice de valen depindeţă
de natura chimic a atomilor,ă
de structura cristalin sau deă
al i factori; ea poate fiţ
ocupat par ial sau completă ţ
de electroni. În mod normal
electronii afla i în banda deţ
valen au cea mai mareţă
energie.
În atomul liber, deasupra
nivelului de valen , seţă
g sesc nivele energeticeă
care,de i sunt libere, ele potş
fi ocupate cu electroni în
urma excit rii atomului. Înă
cristal nivelul liber al
atomului se transform într-ă
o band de sbnivele libereă
care poart denumirea deă
band de conduc ie.ă ţ
Banda de valen esteţă
separat de banda deă
conduc ie printr-un intervalţ
energetic, denumit bandă
interzis , în care nu există ă
nivele energetice pentru
electroni. Ocuparea cu
electroni a nivelelor din banda
de conduc ie poate începeţ
numai în momentul când
electronii din banda de valenţă
primesc o energie cel pu inţ
egal cu l rgimea benziiă ă
interzise.
Prin nivel energetic
întelegem o stare energetică
posibil într-unsistem cuantică
atom, molecul , nucleu,ă
cristal, etc.)
Fiecare nivel energetic
discret al atomului,
caracterizat prin perechea de
numere cuantice (n,l), în
cristal se transform într-oă
band energetic .ă ă
No iunea de benziţ
energetice (nivele energetice)
reflect numai stareaă
energetic a electroniloră
dintr-un corp solid.
(Click pe fiecare termen daca dori i sa afla i maiţ ţ
mult..)
(nucleu)
Eg

4. În func ie de gradul de ocupare cu electroni a benzilor de energie,ţ
corpurile solide pot fi împ r ite în: conductoare, semiconductoare,ă ţ
izolatoare.
Eg > 3 eV
Banda de valenta
Banda de conductie
Izolatoarele sunt substan eţ
care nu permit trecerea
curentului electric. Oricâtă
energie ar primi electronii din
banda de valen nu ar puteaţă
face saltul în banda de
conduc ie deci nu avemţ
sarcini electrice libere care să
participe la formarea
curentului electric.
Izolatoare
Eg < 3 eV
Corpurile solide a c ror bandă ă
de valen este completţă
ocupat cu electroni, iar bandaă
de conduc ie complet liberţ ă
este separat de banda deă
valen printr-o band interzisţă ă ă
îngust de l rgime Eă ă g < 3 eV ,
sunt semiconductoare.
Semiconductoar
e
Conductoare
Conductoarele (metalele) au
deasupra benzii de valenţă
complet ocupat cu electroni oă
band de conduc ie par ială ţ ţ
ocupat cu electroni.ă
Electrical Current.swf

5. Semiconductori
Semiconductoarele sunt corpuri a c ror conductivitateă
electric = 1/ = 10ă σ ρ 4
....10-8
1/Ωm este cuprins întreă
cea a metalelor i cea a izolatoarelor, fiind influen atş ţ ă
de temperatur ( la temperaturi joase sunt izolatoare iă ş
la temperaturi înalte sunt conductoare.
Semiconductoare
Semiconductoare intrinseci ( pure)
Semiconductoare
extrinseci ( cu
impurit iăţ
de tip n
de tip p

6. Si
Si
Si
Si
Si
Si
Conducţia electrică a semiconductorilor
La temperaturi joase un semiconductor este un
isolator cu rezisten electric foarte mic .ţă ă ă
Atomii afla i înţ
nodurile re eleiţ
cristaline oscilează
în jurul pozi iei deţ
echilibru. La o
anumită
temperatur voră
avea o energie
cinetic finit ,ă ă
existând
posibilitatea ca
electronii periferici
s p r sească ă ă ă
atomii devenind
liberi.

7. Si
Si
Si
Si
Si
Si
BV
BC
Aducerea unui electron în starea de conduc ie înseamn trecerea lui din bandaţ ă
de valen (BV) în banda de conduc ie (BC).ţă ţ
Prin plecarea electronului din BV în BC, în urma lui apare un nivel energetic
liber numit “gol”. Apari ia unui gol este echivalent cu apari ia unei sarciniţ ă ţ
electrice pozitive.
Eg
Benzideenergie(eV)
Cristal de siliciu
( germaniu )

8. BV
BC
Eg
Benzideenergie(eV)
Fe Fe
E Dac semiconductorului i se aplic oă ă
diferen de poten ial, electronii dinţă ţ
banda de valen vor începe s seţă ă
deplaseze în sens invers câmpului
electric; golurile vor fi ocupate tocmai
de acei electroni care se apropie de
ele, l sând în urma lor noi goluri.ă
Electronii se vor deplasa de la “-“ la
“+” iar golurile în sens invers.
În semiconductoare sunt posibile dou tipuriă
de conduc ie electric :ţ ă
- conduc ia electronic , determinat deţ ă ă
deplasarea electronilor în banda de
conduc ie;ţ
- conduc ie de goluri, determinat deţ ă
deplasarea golurilor în banda de valen .ţă

9. Semiconductori intriseci
BV
BC
Eg
Benzideenergie(eV)
generar
e
recombinare
În cazul semiconductorilor intrinseci,
datorit agita iei termice electronii pot trece dină ţ
banda de valen în banda de conduc ie BC,ţă ţ
procesul numindu-se excitare termic intrinsecă ă
( generare termic intrinsec ).ă ă În urma acestui
proces apar electroni i goluri în num r egal.ş ă
Pe de alt parte are loc i procesul inversă ş
gener rii i anume recombinarea electronilor cuă ş
golurile, respectiv trecerea electronilor din
banda de conduc ie BC în banda de valen BV.ţ ţă
Prin urmare, în regim de echilibru
termodinamic la o anumit temperatur T,ă ă
num rul actelor de generare este egal cuă
num rul actelor de recombinare, iar înă
semiconductor se va stabili o concentra ieţ
sta ionar de electroni i goluri libere,ţ ă ş
concentra ia electronilor liberi nţ 0 fiind egal cuă
concentra ia golurilor libere pţ 0:
n0 = p0 = ni
ni – concentra ia intrinsecţ ăunde

10. Semiconductor de tip n
Si
Si
Si
Si
Si
SiAs
As
Pentru a ob ine un semiconductor extrinsec de tip n se introduc într-ţ
un semiconductor pur impurit i donoare ( donori ) adic , atomi cuăţ ă
valen a V precum fosfor (P) sau arseniu (As).ţ

11. BV
BC
Eg
Ed
n = p + Nd
Ed – energia de ionizare
Nd – concentra ia donorilorţ
- atomi donori
n - concentra ia total aţ ă
electronilor liberi din BC
- ioni ai atomilor donori
p - concentra ia golurilorţ în BV
Donorii dau nivele energetice mai apropiate de banda de
conduc ie, electronii putând fi u or transporta i de pe unţ ş ţ
astfel de nivel pe banda de conduc ie.ţ
Trecerea electronilor de pe nivelul donor în banda de
conduc ie poart numele de excitare (generare) termicţ ă ă
extrinsec a electronilor. Poate avea loc i procesul invers deă ş
trecere a electronilor din banda cde conduc ie pe nivelulţ
donor, proces denumit recombinarea electronilor pe nivelul
donor.

12. Semiconductor de tip p
Si
Si
Si
Si
Si
SiB
Pentru a ob ine un semiconductor extrinsec de tip p se introduc într-unţ
semiconductor pur impurit i acceptoare ( acceptori) adic , atomi cuăţ ă
valen a III precum bor (B) sau galiu (Ga) .ţ
B

13. BV
BC
Eg
Ea
p = n + Na
Ea – energia de ionizare a acceptorilor
Na – concentra ia acceptorilorţ
- atomi acceptori
p - concentra ia total aţ ă
golurilor din BV
- ioni ai atomilor acceptori
n - concentra ia electronilorţ în BC
Procese care au loc în semiconductorii de tip
p
la temperaturi coborâte predomin schimbulă
de goluri dintre BV i nivelul energetic Ea alş
acceptorilor, având loc acte de generare iş
recombinare a golurilor;
la temperaturi mai înalte are loc i generareaş
intrinsec .ă

14. Jonc iunea p-nţ
E
Jonc iuneaţ p-n reprezint zona de trecere ( contact) care seă
formeaz într-un cristal semiconductor, la care o parte con ineă ţ
impurit i acceptoare ( tip n) iar cealalt impurit i donoare (tipăţ ă ăţ
p). Ea are o l rgime l = 10ă -4
….10-5
cm.
np

15. Dioda semiconductoare
Jonc iunea pn are calit i redresoare.ţ ăţ
Astfel aplicând o tensiune continuă
cu :
- polaritate direct (polul plus laă
regiunea p i polul minus la regiuneaş
n), prin jonc iune trece un curentţ
electric a c rui intensitate cre te cuă ş
cre terea tensiunii aplicate, deoareceş
rezisten a electric este mic (Rţ ă ă j = 10
Ω);
- polaritate invers , practic nu treceă
curent deoarece are loc o l rgire aă
stratului de baraj care cap t oă ă
rezisten electric foarte mare (Rţă ă j =
104
...105
Ω); în acest caz se spune că
dioda este blocat .ă

16. Caracteristicile diodei semicoductoare
U
Ub
Ub+U
la echilibru
U
Ub
Ub-U
la echilibru
Tensiune
directa
Tensiune
inversa
Prin aplicarea câmpului
exterior în sens direct are loc o
mic orare a duferen ei de poten ialş ţ ţ
(barierei) dintre cele dou regiuni,ă
deoarece câmpul extern are sens
invers câmpului de baraj, ceea ce
înlesne te mi carea purt torilorş ş ă
majoritari. În felul acesta, la
polarizare direct curentul electrică
trece prin diod .ă
Când dioda este polarizat invers,ă
câmpul extern aplicat având acela i sens cuş
câmpul de baraj, mi carea purt torilorş ă
majoritari este împiedicat . În acest caz,ă
curentul ce str bate dioda, format numaiă
din purt tori minoritari, este extrem de slabă
( de ordinul mA la dioda cu Si i de ordinulş
μA la cea cu Ge), a a încât îl putemş
considera practic nul. Spunem c laă
polarizarea invers dioda nu conduceă
curentul electric.

17. Schema iş
simbolul diodei
p n
Dioda func ioneazţ ă
ca o supap ceă
permite trecerea
curentului electric
într-un singur sens
(când este polarizată
direct).

18. Caracteristica real a unei diode cuă
jonc iune.ţ
În figur se reprezint caracteristica I =ă ă
f(U) a unei diode. Ea pune în
eviden urm toarele:ţă ă
a) Intensitatea curentului în sens direct,
dup ce se dep e te tensionea deă ăş ş
deschidere UD, cre te exponen ial iş ţ ş
rezisten a diodei devine foarte mic .ţ ă
b) În sens contrar, pentru U < 0, intensitatea curentului care trece prin diod esteă
foarte mic , cu multe ordine de m rime mai mic decât în sens direct.ă ă ă În
majoritatea aplica iilor practice se consider egal cu zero. Dac tensiunea cre teţ ă ă ă ş
peste o anumit valoare critic – numit tensiune de str pungere – diodaă ă ă ă
(jonc iunea) se “str punge” i intensitatea curentului începe s creasc brusc.ţ ă ş ă ă
Fenomenul de str pungere este unul negativ. În practic se urm re te crearea deă ă ă ş
jonc iuni care s reziste la tensiuni inverse cât mai mari, mii de vol i.ţ ă ţ
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html

19. u
Δi
Δu
i
γ
0 UD
Caracteristica static liniarizată ă
aproximeaz destul de bine, pentru curen i lentă ţ
variabili, caracteristica real a diodei.ă
Definim rezisten a dinamic a diodei prinţ ă
rela ia:ţ
i
u
Rdm
∆
∆
=
pentru por iunea înclinat ,ţ ă
corespunz toare conduc iei diodei.ă ţ
Acest raport reprezint tangentaă
unghiului de înclinare fa de verticalγ ţă ă
a por iunii rectilinii înclinate – Rţ dm = tg
.γ

20. O diod ideal ar func iona ca ună ă ţ
întrerup tor care este închis pentruă
tensiuni u < 0 (polarizare invers )ă
i deschis pentru tensiuni pozitiveş
u > 0 (polarizare direct ). Ea ară
prezenta la polarizare invers oă
rezisten infinit , iar în conduc ieţă ă ţ
direct , o rezisten nul .ă ţă ă
0
i
u

21. Caracteristica liniarizat ară
corespunde modelului electric
echivalând cu o diod ideal înseriată ă ă
cu o rezisten , reprezentândţă
rezisten a dinamic a diodei i cu unţ ă ş
generator ideal de tensiune
electromotoare egal cu tensiunea deă
deschidere UD a diodei reale. (a)
Din compunerea celor trei
caracteristici individuale (b) rezultă
caracteristica liniarizat (c).ă
Re inem c Uţ ă D i Rş dm sunt
parametrii modelului. Modelul este
descris matematic de func ia:ţ
Dideala Rdm UD
(a)
0
i
uD.id
R
dmUD
i
i
0 UD
u
(b) (c)





≥
−
<
=
D
dm
D
D
Uu
R
Uu
Uu
i
,
,0

22. Trasarea experimentală a
caracteristicilor diodei semiconductoare
Materiale necesare:
diod semiconductoare;ă
resistor (cel pu in 10 Ω)ţ
surs : 0 – 12 V c.c.ă
conductori de leg tur ;ă ă
voltmetru, ampermetru;
reostat.
Trasarea experimentală a caracteristicii diodei
Materiale necesare:
- diodă semiconductoare;
- resistor (cel puţin 10Ω)
- sursă : 0 – 12 V c.c.
- conductori de legătură;
- voltmetru, ampermetru;
- rheostat.
Mod de lucru:
- se realizeazămontajul din
figură;
- variaţi tensiunea aplicată şi
notaţi valorile corespunzătoare
ale curentului în tabel:
Tensiune la bornele diodei (V) Intensitatea curentului prin diodă (A)
4
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
- pentru a înregistra rezultatele pentru valori negative ale tensiunii se inversează
bornele diodei;
- trasaţi graficul: I = f(U)
- rezistenţa diodei pentru o anumită tensiune este egală cu raportul dintre tensiune
şi intensitate; folosiţi graficul pentru a calcula rezistenţa diodei pentru diferite
tensiuni;
- descrieţi cum variază rezistenţa cutensiunea aplicată; este rezistenţa diodei
aceeaşipentru o tensiune pozitivă şi pentru o tensiune negativă.
http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbeit/da/weTEiS/weteis/diode1.htm

23. Redresarea curentului alternativ
Prin redresarea curentului alternative se în elege transformarea curentuluiţ
alternativ de joas frecven în curent pulsator, utilizând un dispozitiv numită ţă
redresor.
Pentru redresarea curentului alternativ se poate folosi dioda cu jonc iune.ţ
În mod obi nuit un redresor cu dispozitiv semiconductor este compusş
din: elementul redresor ( dioda semiconductoare ),sursa de curent alternativ
(re ea de alimentare cu energie electric sau transformator)ţ ă i un filtru deş
netezire..
Transformator
Redresor
Filtru de
netezire
Retea
Spre
sarcina
~
Transformatorul din
circuitul redresor separă
componenta de curent
alternativ de cea de
curent continuu iş
determin de obiceiă
valoarea tensiunii
continue pentru o valoare
dat a tensiunii de rea ea.ă ţ
Redresorul
propriu-zis este
un element
neliniar (sau mai
multe) care
permite trecerea
curentului într-un
singur sens.
Filtrul are rolul de a
reduce (netezi)
pulsa iile tensiuniiţ
redresate. Filtrele se
realizeaz de obicei cuă
elemente de circuit
reactive:
condensatoare, bobine,
uneori i rezistoare.ş

24. Redresor monoalternanţă
Redresorul monoalternan este cel mai simplu redresor. Blocul redresorţă
co ine un singur element redresor, o diod .ţ ă
Randamentul sc zut este unul dintre dezavantajele acestui redresor.ă Un al
doilea dezavantaj este înc rcarea nesimetric a re elei, puterea fiind absorbită ă ţ ă
doar în
timpul unei singure semialternante. Redresorul monoalternan este îns destul deţă ă
folosit la puteri mici deoarece este cel mai simpu i cel mai ieftin.ş

25. Redresarea ambelor alternan eţ
Redresor dubl alternan cu punctă ţă
median
În cazul acestui tip de redresor transformatorul este necesar i el trebuie s aibş ă ă
un secundar cu dou înf ur ri înseriate, care au acela i num r de spire, cu ună ăş ă ş ă
punct
median între ele, astfel ca s furnizeze blocului redresor compus din dou diodeă ă
două
tensiuni identice, u2. Ansamblul poate fi privit i ca dou redresoareş ă
monoalternanţă
legate la aceea i sarcin , în cazul acesta rezisten a RS.ş ă ţ

26. În prima semiperioad cele două ă
diode sunt polarizate astfel: D1 direct,
plusul tensiunii transformatorului la
anod, iar D2 invers. Schema echivalentă
este aceea din figura (b) (D1
scurtcircuit, D2 întrerupt ) i tensiuneaă ş
pe sarcin este egal cu uă ă 2, adic oă
semialternan pozitiv .ţă ă În a doua semiperioad cele dou diodeă ă
sunt polarizate astfel: D1 invers, minusul
tensiunii transformatorului la anod, iar D2
direct. Schema echivalent este aceea dină
figura (c) (D1 întrerupt , D2 scurtcircuit) iă ş
tensiunea pe sarcin este egală ă cu minus u2
(negativ în acest semiinterval), adic dină ă
nou o semialternan pozitiv .ţă ă
Se ob ine în acest fel o redresare dublţ ă
alternan .ţă
http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_transfo.html

27. Redresor dubl alternan în punteă ţă
Redresorul dubl alternan în punte areă ţă
schema, forma tensiunilor i schemeleş
echivalente în semiperioadele distincte de
func ionare prezentate în figur . În cazulţ ă
acestui tip de redresor transformatorul poate
lipsi.
Se ob ine în acest fel o redresare dublţ ă
alternan la fel ca în cazul anterior.ţă
Avantajul schemei, valoarea medie dublă
fa de redresarea monoalternan iţă ţă ş
deci o eficacitate dubl a redres rii dară ă
i faptul c este nevoie de o singurş ă ă
surs de alimentare.ă

28. Blocul redresor este format din 4 diode legate în punte (formând un patrulater)
într-o anumit succesiune a terminalelor. La una din diagonalele pun ii seă ţ
conectează
sursa de tensiune alternativ , sau secundarul transformatorului dac acesta exist ,ă ă ă
iar la
a doua diagonal se conecteaz sarcina, R în cazul acesta.ă ă

29. În prima semiperioad sunt polarizateă
direct diodele D2 si D3 i suntş
polarizate
invers diodele D1 i D4. Schemaş
echivalenta este aceea din figur iă ş
tensiunea pe sarcin este egal cu u2,ă ă
adic o semialternan pozitiv .ă ţă ă
În a doua semiperioad suntă
polarizate invers diodele D2 i D3ş
sunt
polarizate direct diodele D1 i D4.ş
Schema echivalent este aceea dină
figur i tensiunea pe sarcin esteă ş ă
egal cu minus u2 (negativ înă ă
acest semiinterval), adic din nou oă
semialternan pozitiv .ţă ă
http://www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCurrent.dcr

30. Bibliografie
 Manual pentru clasa a XI-a; N. Gherbanovschi, M.Prodan,St. Levai; Ed.
Didactica si Pedagogic; Bucuresti – 1990
 Fizica – Manual clasa aXII-a; O. Rusu,L. Dinica, C-tin Traistaru, M.
Nistor; Ed. Corint; Bucuresti – 2007
 http://mritsec.blogspot.com/2009/01/electronic-device-animations.html
 http://www.ibiblio.org/kuphaldt/socratic/output/animation_bridge_rectifi
er_nonideal_fast.gif
 http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbeit/da/weTEiS/w
eteis/diode1.htm
 http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.ht

31. http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/leds/basicoperation/
LED
http://www.kjanssen.de/Studium/Forschungen/Diplomarbeit/da/we
TEiS/weteis/diode1.htm
Caracteristica diodei
http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html
Dioda semiconductoare
http://www.vjc.moe.edu.sg/fasttrack/physics/AltCurrent.dcr
Redresarea cu pynte
http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Elec/DiodesAO/Red_transfo.html
Redresarea cu 2 diode