Proprietati electrice ale substantelor

Proprietati electrice ale substantelor

Cand substantele se gasesc sub influenta unui camp electric exterior in acestea se manifesta unele modificari specifice ale proprietatilor, uneori insotite de fenomene de transport de sarcini. Unele substante sunt bune conducatoare de electricitate, denumite conductori electrici, altele sunt rele conducatoare de electricitate, avand proprietati dielectrice.

Conductorii electrici pot fi grupati in:

conductori de ordinul I (electronici) Aceste materiale prezinta o conductibilitate de natura electronica, rezistivitatea lor creste odata cu cresterea temperaturii, iar sub actiunea curentului electric ele nu sufera modificari de structura. Materialele conductoare de ordinul I sunt metale în stare solida si lichida. Daca luam în considerare valoarea conductivitatii lor, materialele conductoare de ordinul I se pot împarti în:

-- materiale de mare conductivitate, cum sunt: Ag, Cu, Al, Fe, Zn, PB, Sn etc

-- materiale de mare rezistivitate, care sunt formate de obicei din aliaje si se utilizeaza pentru rezistente electrice, elemente de încalzire electrica, instrumente de masura etc.

conductori de ordinul II (electroliti). Aceste materiale prezinta o conductibilitatea de natura ionica, rezistivitatea lor scade odata cu cresterea temperaturii, iar sub actiunea curentului electric ele sufera transformari chimice. Din categoria materialelor conductoare de ordinul II fac parte sarurile în stare solida sau lichida, solutiile bazice sau acide, solutiile de saruri (deci toti electrolitii).

Substantele a caror conductibilitate electrica este cuprinsa intre cea a conductorilor electrici si a dielectricilor sunt denumite semiconductori.

Modelul benzilor de energie explica conductibilitatea electrica diferentiata la metale, semiconductori si izolatori.

La metale banda de valenta si cea de conductie sunt adiacente.

La semiconductori si izolatori banda de valenta care este complet ocupata se gaseste la o anumita distanta fata de banda de conductie, care in stare fundamentala nu este ocupata cu electroni. Intervalul dintre cele doua benzi nu poate fi ocupat din motive mecanic- cuantice si constituie zona interzisa. Ca urmare la metale trecerea electronilor din banda de valenta in banda de conductie se produce fara consum de energie, iar la semiconductori si izolatori aceasta trecere se face cu consum de energie. Aceasta energie va fi cu atat mai mare cu cat zona interzisa va fi mai mare, iar proprietatile elementului respectiv vor fi mai indepartate de cele metalice.

Metalele au zona interzisa egala cu zero, semiconductorii au zona

interzisa < 5eV iar izolatorii in conditii normale au zona interzisa mai > 5eV . De ex. din valorile zonelor interzise ale elementelor din grupa a IV-a se observa urmatoarele: carbonul (diamantul) este izolator, Si, Ge, Sn cenusiu semicontuctori, iar Pb este metal electroconductibil.

Sn are doua modificatii cristaline:

Sn cenusiu a - Sn

Sn alb b - Sn

Semiconductori

Materialele cu proprietati semiconductoare au la temperatura camerei rezistivitatea electrica de ordinul a 10^-3 - 10^-6 W cm fata de 10^-4 - 10^-6 W cm cat este a metalelor si de 10¹⁰  - 10²² W cm a substantelor dielectrice.

(Rezistenta electrica specifica sau rezistivitatea – rezistenta opusa curentului electric de catre o portiune din metal cu o sectiune de 1cm² si o lungime de 1cm si se exprima in W cm. Continutul de substante straine intr-un metal maresc rezistenta lor electrica, doearece atomii substantelor straine intra in reteaua cristalina a metalului si impiedica astfel formarea undelor stationare ale electronilor. De aceea pentru rezistente electrice se folosesc aliaje si nu metale pure. Cu cat metalul are rezistenta electrica specifica mai mica, cu atat conduce mai bine curentul electric.)

Semiconductorii au unele proprietati caracteristice, stabilite experimental, cum sunt: existenta unui coeficient negativ al variatiei rezistivitatii cu temperatura, aparitia unei forte termoelectromotoare, atat pozitive cat si negative mari in raport cu metalele, sensibilitate la lumina, fie prin aparitia unei forte termoelectromotoare, fie prin variatia rezistivitatii la iluminare, precum si aparitia efectului de redresare a curentului electric.

S-a mai stabilit ca un rol important in caracterizarea semiconductorilor il au impuritatile pe care acestia le contin facandu-se distinctia intre proprietatile intrinseci ale semiconductorilor datorate defectelor structurii cristaline si compozitiei stoechiometrice, precum si proprietatilor legate de prezenta impuritatilor care fac ca anumiti parametri sa varieze foarte mult de la o proba la alta.

Pentru toate aceste fenomene specifice s-a dat o explicatie teoretica satisfacatoare in 1931 cand Wilson a aplicat in cazul semiconductorilor rezultatele teoretice obtinute de Block privind miscarea electronilor in corpurile cristaline.

Modelul benzilor de energie permite explicarea conductibilitatii electrice diferentiate la metale, materiale semiconductoare si izolatoare.

Structura zonelor de energie depinde de structura electronica a atomilor si de natura legaturilor interatomice.

Conductibilitatea intrinseca

Conductibilitatea electrica a unui semiconductor poate fi cauzata in cazul substantelor elementare foarte pure de electronii proprii si in acest caz este vorba de semiconductori intrinseci. Acestea sunt elemente de tranzitie intre metale si nemetale ca de ex. Si si Ge. La aceste elemente zona de valenta este complet ocupata, cea de conductibilitate este complet libera si intre ele exista o zona interzisa de latimea Dhn Pentru a trece din banda de valenta in banda de conductie un electron poate fi excitat termic sau prin absorbtia unei cuante de lumina. Daca energia absorbita este cel putin egala cu Dhn sau mai mare, electronul trece din banda de valenta in banda de conductie. Pentru fiecare tranzitie apare in zona de conductibilitate un nivel ocupat de un electron iar in zona de valenta un nivel liber, respectiv un gol ( marcat cu + ).

Schematic transferul prin absorbtia unei cuante de lumina a unui electron din banda de valenta in banda de conductie poate fi reprezentat astfel:

Cristalul contine acum 2 benzi ocupate partial cu electroni. Atat electronul din zona de conductibiliate cat si golul din zona de valenta participa la transmiterea curentului electric. Conductibilitatea benzii de conductie datorita electronilor este denumita conductibilitate de tip n, iar conductibilitatea din banda de valenta, datorita golurilor pozitive poarta numele de conductibilitate de tip p.

Conductibilitatea de tip p este determinata de saltul unui electron de legatura sub influenta campului electric aplicat cristalului intr-un gol vecin. Procesul se repeta, incat golurile migreaza in intregul cristal. La aplicarea unui camp electric, electronii din banda de conductie se vor deplasa in sens invers campului, iar golurile in sensul campului electric. Perechea electron – gol poate sa se anihileze dupa un anumit timp prin revenirea electronului excitat pe un nivel liber din zona de valenta. Acest fenomen invers generarii perechii electron – gol se numeste recombinarea purtatorilor de sarcina.

Conductibilitate extrinseca

Atomii straini, substituiti izomorf in reteaua unui semiconductor modifica proprietatile, in special conductibilitatea electrica a acestuia. Procesul de impurificare voita a unui semiconductor, cu atomi straini in concentratii foarte mici si exact controlate nu schimba sensibil structura cristalina a materialului de baza.

Semiconductorii de tip Si si Ge folositi curent se dopeaza cu atomi straini in cantitati atat de mici incat analiza chimica nu permite decelarea lor. Aceste concentratii sunt de circa 1 atom strain la 10⁸ atomi de Si sau Ge. Sunt doua feluri de dopanti:

donori ( dopanti de tip n) si

acceptori ( dopanti de tip p).

Daca Si element tetravalent este dopat cu un element din grupa V-a. De ex. P, As, Sb atunci numai 4 electroni de valenta ai acestor elemente intervin in formarea legaturilor.

La temperaturi apropiate de 0 K electronul excedentar ramane legat de atomul dopant La temperaturi mai ridicate, acest electron trece din banda de valenta in banda de conductie care se ocupa astfel partial si devine conductoare. Dopantii de acest fel, deci cu Z mai mare decat elementul de baza, sunt donori de tip n iar conductibilitatea care apare este numai de tip n si numai in banda de conductie.

Daca Si este dopat cu cativa atomi ai unui element din grupa III-a A, ca de ex. B, Al, Ga, In, care au cu un electron de valenta mai putin decat Si, atunci pentru stabilirea celei de a patra covalente, atomul dopant atrage un electron de la o legatura Si –Si vecina generand un gol in banda de valenta a Si. Si astfel dopat devine un semiconductor de tip p.