Ce sunt semiconductorii si la ce folosesc?
Semiconductorii sunt substante (naturale sau artificiale) ale caror conductivitati sunt cuprinse intre substantele conductoare (ca metalele) si izolatoare (ca plasticele).Semiconductorii au numeroase proprietati utile si ciudate,nemaiintalnite printre alte materiale. Prin urmare,aceste materiale sunt esentiale in lumea moderna. Fara semiconductori,electronica moderna nu ar fi fost posibila! Unii semiconductori emit lumina cu eficienta de aproape 100% fara emisie de caldura,altii pot conduce curentul electric aproape fara pierderi,altii transforma caldura in electricitate etc.
Semiconductorii de baza (ca siliciul si germaniul) au atomi tetravalenti,fiecare cu cate 4 electroni liberi,formand cristale perfecte:
In aceasta stare siliciul conduce foarte putin curentul electric si nu are nicio aplicatie practica.
Printr-un proces numit dopare in siliconul pur pot fi adugate cantitati foarte mici (sub 0.1%) de alte substante semiconductoare,astfel imbunatatind calitatile si dezvoltand diferite proprietati utile in electronica.Exista 2 tipuri de dopare:
-doparea de tip N:in siliciul pur sunt adugate cantitati mici de fosfor sau arsen. Atomii acestor elemente au cate 5 electroni liberi. Cand se combina cu siliciul,unul dintre electroni ramane "pe dinafara" (liber),creand o sarcina electrica negativa si permitand curentului electric sa circule (prin intermediul electronilor liberi);
-doparea de tip P:in siliciul pur sunt adugate cantitati mici de bor sau galiu. Atomii acestor elemente au cate 3 electroni liberi.Cand se combina cu siliciul,aceste elemente leaga doar cate 3 electroni ai siliciului,prin urmare se formeaza niste "gauri" de electroni,prin care poate circula curentul electric;
Aceste substante sunt niste conductori acceptabili (dar nu excelenti),singure neavand vreo aplicatie practica. Dar combinate...
Dispozitive bazate pe semiconductori
Dioda
Dioda este cel mai simplu dispozitiv semiconductor,fiind formata dintr-o parte din siliciu de tip N si cealalta jumatate din siliciu de tip P. O dioda permite trecerea cu usurinta a curentului electric intr-un sens ( de la anod la catod),dar nu permte trecerea lui in sens invers.
Daca conectam o dioda la o baterie in mod gresit:
Desi fiecare in parte este conductoare in sinea ei,cand sunt unite,cele doua parti se comporta diferit. In configuratia de mai sus,partea cu "gauri" (tipul P) este incarcata pozitiv si este legata la partea negativa a bateriei,prin urmare se inregistreaza o migrare a "gaurilor" de electroni dinspre siliciul de tip P spre partea negativa a bateriei. Partea cu electroni liberi este incarcata negativ (tipul N) si este legata de partea pozitiva a bateriei,prin urmare electronii liberi se deplaseaza catre partea pozitiva a bateriei. Deoarece cele doua fluxuri de electroni se indreapta in parti diferite,curentul nu poate circula prin dioda dincolo de granita (jonctiunea) dintre cele doua materiale.
Daca intoarcem bateria corect,dioda va conduce din nou curentul electric. Electronii liberi din siliciul de tip N sunt respinsi de partea negativa a bateriei,iar gaurile electronice incarcate pozitiv sunt respinse de partea pozitiva a bateriei. Cand cele doua fluxuri converg,in jonctiune,electronii umplu gaurile,permitand curentului electric sa treaca prin dioda.
Atentie! Daca este aplicata o tensiune suficient de mare intr-o dioda inversata,jonctiunea se va "rupe" iar dioda va fi distrusa,permitand curentului electric sa circule. De asemenea,o dioda pusa corect necesita un voltaj "de startare" pentru a incepe sa conduca electricitatea (aprox. 0.7 V)
LED-ul
Led-ul este o dioda speciala,care emite lumina la trecerea curentului electric prin ea cu o eficenta mult mai mare fata de mijloacele obisnuite de iluminat. Mai multe detalii despre Led-uri aici. Led-urile de culori reci si ultraviolete sunt facute din nitrura de indiu si galiu (InGaN),cele de culori rosii sunt facute din fosfura de aluminiu,galiu si indiu (AlGaInP),cele cu infrarosu sunt facute din arsenura de aluminiu si galiu (AlGaAs),iar cele verzi si galbene sunt facute din fosfura de galiu (GaP).
Tranzistorul
Un tranzistor simplu (BJT) este format din trei straturi de material semiconductor (in ordine NPN sau PNP),practic doua diode lipite una de cealalta. Partea prin care intra curentul se numeste emitator,partea prin care iese curentul se numeste colector,iar partea din mijloc se numeste baza. Daca un curent electric trece prin tranzistor,de la colector la emitator (de la pinul din stanga la cel din dreapta),curentul va intampina o rezistenta foarte mare (practic ca un izolator sau un circuit deschis). Dar daca aplicam o cantitate mica de curent (peste 0.6V) la pinul din mijloc (baza),rezistenta tranzistorului va scadea proportional cu voltajul aplicat la baza (VB) si tensiunea curentului care iese din tranzistor la emitator (VE) va creste. Daca marim in continuare VB,tranzistorul va amplifica curentul electric intrat in tranzistor prin colector (VC),iar VE poate fi de pana la 200 de ori mai mare ca VC la unii tranzistori industrial. Cand tensiunea VB depaseste VC,tranzistorul va actiona ca o bucata de circuit normal (VC=VE).Daca VB este cuprinsa intre VC si VE,dar VC este mai mare ca VB,curentul va circula invers prin tranzistor,intensitatea lui fiind proportionala cu valoarea VB:
Explicatia consta in proprietatile ciudate ale mecanicii,mai exact relatiile intre electroni si "gauri". Fara ajutor extern,tranzistorul actioneaza ca o dioda,electronii neputand sa traverseze jonctiunea dintre zona N si cea P. Cand aplicam voltaj (VB),in baza se nasc electroni,care acopera gaurile,permitand electronilor sa circule prin tranzistor.
Tranzistorii BJT erau la inceput fabricati din germaniu,iar cei moderni sunt din siliciu. Tranzistorii folositi in aplicatii industriale sau speciale (cum ar fi manipulari de frecvente si tensiuni mari),sunt fabricati din aliaj de siliciu-germaniu sau arsenura de galiu.
Datorita acestor proprietati,tranzistorii sunt folositi de obicei ca intrerupatori sau amplificatori in circuite. In numar mai mare,tranzistorii formeaza porti logice,circuite ramificate de decizie,registri,filtre de zgomot etc. componente esentiale in electronica (de exemplu in computere).Totusi,in electronica moderna,sunt folositi in special alt tip,mai deosebit,de tranzistori...
MOSFET
Denumirea de MOSFET este un acronim care vine de la tranzistor cu efect de camp cu oxid metalic semiconductor (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor).Tranzistorii MOSFET sunt mai mici,mai usor de fabricat in masa si pot opera cu tensiuni mai mici de pornire (chiar si 0.001 V). Tranzistorii MOSFET sunt compusi din 4 parti:sursa (pe unde intra curentul) din siliciu N,drena (pe unde iese curentul) din siliciu N,poarta (electrod din metal,izolat cu oxid metalic,prin care se controleaza tranzistorul) si baza (pe care toate componentele sunt lipite) din siliciu P.
Daca se aplica o polarizare pozitiva la poarta,"gaurile" din baza de tip P sunt respinse. Electronii din sursa si drena sunt atrasi de poarta incarcata pozitiv,dar stratul de oxid izoleaza poarta. In schimb,electronii se aliniaza de-a lungul stratului de oxid,formand un canal prin care curentul poate trece cu usurinta. Prin controlul voltajului din poarta,curentul care circula prin tranzistor (de la poarta la drena) poate fi variat.
Fotorezistorul/Fotodioda (Fototranzistorul)
Fotorezistorii sunt dispozitive semiconductoare a caror rezistenta scade odata cu cantitatea de lumina la care sunt expuse,prin urmare au multe aplicatii precum in senzorii de lumina.
Intr-un fotorezistor,materialul semiconductor special absoarbe fotonii din lumina. Cand un foton este absorbit,se creeaza un electron liber,care permite curentului sa se deplaseze prin dispozitiv. Cu cat este mai multa lumina (mai multi fotoni),cu atat se creeaza mai multi electroni si curentul circula mai usor.
De obicei,materialul semiconductor este sulfura de cadmiu (CdS) sau selenura de cadmiu (CdSe),dar in fotorezistorii pentru lumina infrarosie se foloseste sulfura de plumb (PbS) sau antimonura de indiu (InSb) si in cei pentru zona infararosie indepartata se foloseste o combinatie de germaniu si cupru.
Fotodiodele sunt dispozitive semiconductoare care convertesc lumina in electricitate,bazandu-se pe efectul fotoelectric (emiterea de electroni liberi dintr-un material la expunerea la lumina).Cand lumina loveste materialul semiconductor din dioda,fotonii "desprind" din material electroni care devin liberi. Prin urmare,se formeaza atat electroni liberi cat si "gauri". Electronii sunt incarcati negativ si sunt atrasi spre anod,iar "gaurile" incarcate pozitiv se indreapta spre catod. Impreuna cele doua fluxuri formeaza un curent electric:
Fotodiodele sensibile la lumina ultravioleta si vizibila sunt facute din siliciu,cele sensibile la lumina vizibila si infararosu apropiat contin germaniu,cele pe baza de arsenura de galiu si indiu (InGaAs) sunt sensibile la infrarosu,cele care contin sulfura de plumb (PbS) sunt receptive la infrarosul mediu,iar cele sensibile la infarosu indepartat (detecteaza caldura,infarosu termal) sunt fabricate din telurura de cadmiu si mercur (Hg1−xCdxTe)
Milioane de fotodiode dispuse intr-o matrice compun senzorii de imagine din aparatele foto si camerele video,iar unele tipuri de fotodiode dispuse in serie compun celulele fotovoltaice (din panourile solare).
Termistorul
Termistorul este un dispozitiv semiconductor al carui rezistenta scade odata cu cresterea temperaturii,pe baza ecuatiei Steinhart-Hart.
Aceasta ecuatie demonstreaza in mod matematic cum cresterea temperaturii inconjuratoare sporeste numarul de electroni sau gauri (depinde de material) purtatori de curent electric.
Odata cu cresterea temperaturii,numarul de electroni sau gauri creste,iar curentul electric va circula mai usor:
Termistorii sunt fabricati din oxizi metalici semiconductori,precum oxid de fier cu titaniu (tip N,creeaza electroni) sau oxid de nichel cu litiu (tip P,creeaza "gauri"). Termistorii sunt folositi de obicei in senzori de temperatura sau termostate.
Elementul Peltier (generator termoelectric)
Elementele Peltier sunt dispozitive semiconductoare care se bazeaza pe efectul termoelectric pentru a putea realiza trei efecte diferite:
-incalzire:prin efectul termic al curentului electric
-racire (racitor termoelectric): prin efectul Peltier
-producere electricitate (generator termoelectric):prin efectul Seebeck
Toate cele trei efecte de mai sus sunt componenente ale efectului termoelectric.
Un element Peltier este format din mai multi "stalpi" de material semiconductor,alternativ de tip P si N. De ambele parti sunt lipite bucati de ceramica,sub care au fost atasati electrozi.
In momentul in care elementul Peltier este alimentat cu electricitate,curentul electric transfera caldura intr-o parte a dispozitivului,producand caldura. Prin urmare,cealalta parte se raceste. Incredibil,nu? Si asta nu este tot! Daca o parte a elementului Peltier este supusa la caldura,iar cealalta la o temperatura mai scazuta (diferenta de temperatura),electronii vor migra catre partea mai calda,formand un curent electric si actionand ca un generator termoelectric. Cu cat diferenta de temperatura dintre parti este mai mare cu atat este produs mai mult curent electric.
Generatoarele termoelectrice obisnuite si elementele Peltier sunt fabricate de obicei din telurura de bismut (Bi2Te3). Pentru alte aplicatii la diferente de temperaturi mai mari sunt folosite materiale precum telurura de plumb (PbTe),arsenura de cobalt (CoAs3),aliajul de siliciu si germaniu si aliaje pe baza de magneziu,staniu,antimoniu si galiu in diverse proportii.
Generatoarele termoelectrice sunt folosite ca surse de energie pentru navetele spatiale si zone cu diferente mari de temperatura,iar racitoarele termoelectrice (ca elementele Peltier) sunt folosite ca surse de racire silentioase in dispozitive portabile si electronice.
Circuitele integrate (IC,Microcipuri)
Un circuit integrat/microcip este practic o bucatica de material semiconductor (de obicei siliciu),la care au fost conectati pini. Pe bucatica de siliciu au fost "sculptate" si "imprimate" in mai multe straturi toate componentele necesare:diode,tranzitori si multe altele. Microcipurile moderne (precum microprocesoarele din computere) pot contine zeci de miliarde de tranzistori si alte componente,care compun sute de mii de porti logice,amplificatoare,memorii,flip-flopuri etc. Circuitele integrate au dus la o miniaturizare record a electronicelor;daca in 1950 un computer ocupa o camera intreaga (mii de tuburi cu vid voluminoase),in ziua de azi un microprocesor de 2 cm are o putere de calcul de sute de ori mai mare (miliarde de tranzistori minusculi).
In imaginile de mai sus sunt imagini cu componentele dintr-un microcip la microscopul electronic. Si o scanare electronica a microcipului:
Viitorul materialelor semiconductoare
In viitor,pe masura ce tehnologia va evolua,vor fi cercetate si folosite noi materiale semiconductoare pentru noile posibilitati. Deja cercetatorii lucreaza cu noi materiale,precum nanotuburile de carbon,grafenul si compusii polimetalici cu antimoniu. Totusi pentru aplicatiile obisnuite,siliciul va fi folosit mult timp de acum incolo.
Sper ca v-a placut acest tutorial! Pentru orice intrebari adresati la sectiunea de comentarii de mai jos. In tutorialele viitoare,vom porni intr-un nou domeniu al electronicii,motoarele elctrice!
Comments