Dispozitivele cu stare solidă sunt componentele de control atât ale dispozitivelor de înaltă tehnologie, cât și ale celor foarte obișnuite. Utilizarea lor pe scară largă este legată de faptul că pot fi utilizate ca interfață cu toate simțurile umane. Diodele emițătoare de lumină (LED) și laserele în stare solidă produc lumină utilizată în toate tipurile de afișaje care au interfață cu vederea. Primele aplicații ale dispozitivelor cu semiconductori au fost utilizarea tranzistoarelor în radiouri și amplificatoare care interferează cu simțul nostru auditiv. Termoelectricii sunt dispozitive cu stare solidă care pot fi utilizate pentru încălzire sau răcire – o interfață cu simțul tactil. Deși dispozitivele cu stare solidă nu emit mirosuri sau arome, ele pot fi utilizate ca senzori pentru monitorizarea substanțelor odorante sau toxice, realizând o interfață cu simțul mirosului și al gustului. Într-o anumită măsură, simțul modern al timpului, determinat de revoluția informațională, trimite înapoi la dispozitivele cu stare solidă.
La începutul secolului XXI, au fost produse mai multe dispozitive cu stare solidă decât orice alt lucru fabricat. Mai mult de zece miliarde de componente sunt fabricate pe o singură placă de siliciu de opt inci. În anii 1940, lucrările dispozitivelor simple cu stare solidă erau realizate cu tuburi cu vid și relee mecanice. (Dacă un tub cu vid acoperea o suprafață de un centimetru pătrat, aceleași zece miliarde de dispozitive care încap pe o plachetă de opt inci ar acoperi 6,5 kilometri pătrați .) Inventarea tranzistorului în 1947 la Bell Laboratories a inaugurat era electronică, începând cu telefoanele și radiourile și oferind în cele din urmă computere din ce în ce mai mici și mai rapide, un iluminat mai eficient, un mijloc de recoltare a energiei electrice de la Soare și multe altele.
Materialele dispozitivelor cu stare solidă
Dispozitivele cu stare solidă constau în organizații complicate de materiale cristaline care prezintă proprietăți izolatoare, semiconductoare sau conductoare. Izolatorii, compuși de obicei din SiO2, blochează fluxul de curent dintr-o parte a dispozitivului în alta. Semiconductorii, de obicei siliciu sau materiale înrudite cu siliciul, sunt principalele materiale ale dispozitivelor cu semiconductori, controlând numărul și viteza de curgere a purtătorilor încărcați (electroni sau găuri). Găurile se formează atunci când un electron este eliminat și, prin urmare, poartă o sarcină pozitivă. Conductorii, de obicei metale precum aluminiul sau cuprul, sunt utilizați pentru conexiunile electrice la dispozitive. Proiectarea, funcționarea și fabricarea dispozitivelor cu stare solidă fac, în general, obiectul fizicii și al ingineriei. Proprietățile materialelor utilizate pentru fabricarea dispozitivelor sunt însă determinate de chimie.
Diferența dintre conductori, semiconductori și izolatori este determinată de ușurința cu care electronii (sau găurile) se pot deplasa prin materialul cristalin. Mișcarea (delocalizarea) electronilor, sau localizarea lor pe sau între anumiți atomi, este determinată de legătura chimică. Într-un cristal, este necesar să se ia în considerare interacțiunile de legătură repetate dintre numeroși atomi, mai degrabă decât doar interacțiunile de legătură dintre doi atomi dintr-o moleculă izolată.
Considerați analogia de legătură dintre molecula de dihidrogen, H2, și un ipotetic cristal unidimensional de hidrogen, Hn, reprezentat simbolic în figura 1. Fiecare atom de hidrogen are câte un electron pe un orbital atomic . Atunci când doi astfel de atomi sunt aduși împreună, electronii sunt împărțiți între ei într-un orbital molecular de legătură, σ, în care orbitalii sunt în fază unul cu celălalt. Un orbital de antilegătură, σ*, este, de asemenea, creat la o energie mai mare, cu cei doi orbitali în defazaj unul față de celălalt. O situație de legătură stabilă este creată atunci când configurația electronică umple orbitalii moleculari de legătură și lasă orbitali moleculari de antilegătură goi.
Când un număr aproximativ infinit de atomi sunt aduși împreună pentru a forma un cristal, aceștia aduc cu ei un număr infinit de orbitali și electronii corespunzători. Atunci când toți acești orbitali sunt în fază, se obține orbitalul cristalin cu cea mai mică energie. Atunci când toate sunt în defazaj, se obține orbitalul cristalin cu cea mai mare energie. Dar cu un număr aproape infinit de atomi și, prin urmare, cu un număr aproape infinit de orbitali atomici, trebuie să existe un număr aproape infinit de orbitali cristalini formați cu energii intermediare între nivelurile de cea mai mare legătură și de cea mai mare antilegătură. Această colecție de orbitali cristalini este denumită bandă de energie.
Care bandă poate fi umplută cu electroni într-un mod similar cu umplerea unei sticle de plastic cu nisip. Dacă acea sticlă de nisip este complet plină, este posibil să o înclinăm sau chiar să o întoarcem cu susul în jos și boabele de nisip nu se vor mișca. Dacă sticla de plastic nu este complet plină (adică o bandă parțial umplută), atunci boabele de nisip se pot mișca cu ușurință atunci când sticla este înclinată. Acestea nu sunt localizate într-o singură poziție, ci delocalizate pe suprafața superioară. În mod similar, electronii unei benzi parțial umplute sunt delocalizați de-a lungul cristalului și pot conduce electricitatea. Energia celor mai înalte niveluri umplute se numește energia Fermi.
Înțelegerea conductivității
Un conductor metalic este o substanță care are o bandă parțial umplută. Este nevoie de foarte puțină energie pentru a muta electronii de la un nivel plin la un nivel gol într-o bandă; acest lucru are ca rezultat o conductivitate ridicată deoarece nu există un decalaj energetic la nivelul Fermi. Atunci când temperatura unui conductor metalic este scăzută, conductivitatea crește deoarece mișcarea termică a atomilor din cristal este încetinită, permițând electronilor să se deplaseze mai ușor.
În schimb, atât semiconductorii, cât și izolatorii au structuri de bandă în care toate benzile lor electronice sunt fie complet pline, fie complet goale. Deoarece cristalele reale au mai mult de un orbital, spre deosebire de exemplul hidrogenului, vor exista mai multe benzi care dau naștere structurii benzilor electronice. Benzile pline cu electroni apar sub energia Fermi, iar benzile la energii mai mari sunt goale. Diferența de energie dintre partea cea mai înaltă a benzii pline și partea cea mai joasă a benzii goale reprezintă diferența de bandă. Diferența dintre un izolator și un semiconductor este dată de mărimea benzii interzise. Un material cu o bandă interzisă mai mică de aproximativ 3,5 eV este considerat un semiconductor, în timp ce materialele cu benzi interzise mai mari sunt izolatori. Într-un semiconductor, banda plină de sub nivelul Fermi se numește bandă de valență, iar banda goală de deasupra nivelului Fermi se numește bandă de conducție.
Dacă unui semiconductor i se furnizează suficientă energie, un electron poate fi promovat din banda de valență în banda de conducție; acest lucru creează, de asemenea, o gaură în banda de valență. Electronul promovat în banda de conducție și/sau gaura rămasă în banda de valență pot fi delocalizate de-a lungul cristalului, ceea ce duce la conductivitate electronică. Magnitudinea conductivității este puternic determinată de energia furnizată semiconductorului. Din acest motiv, conductivitatea unui semiconductor va crește odată cu creșterea temperaturii.
Chimia semiconductorilor
Proprietățile unui semiconductor sunt determinate de compoziția elementară a materialului, de structura sa și de prezența oricăror impurități. Impuritățile, denumite în mod obișnuit dopanți, adaugă proprietăți extrinseci semiconductorului, în comparație cu proprietățile intrinseci ale materialului pur în sine.
Semiconductori intrinseci. Se poate constata că elementele din grupul paisprezece – carbon, siliciu, germaniu și staniu – adoptă structura cristalină de tip diamant prezentată în figura 3a. Se găsesc și alte structuri cristaline; de exemplu, grafitul și diamantul sunt structuri cristaline diferite ale aceluiași element, carbonul. Datorită mărimii și energiilor orbitale, carbonul formează legături foarte
puternice, astfel că în diamant există o separare energetică mare între benzile de legătură și cele de antilegătură. Acest lucru are ca rezultat o bandă interzisă mare, de 6,0 eV, ceea ce face din diamant un izolator. În schimb, legăturile dintre elementele mai grele (siliciu, germaniu și staniu) nu sunt la fel de puternice, astfel încât banda interzisă scade în josul coloanei din tabelul periodic: siliciu, 1,1 eV; germaniu, 0,7 eV; și staniu gri, 0,1 eV. În plus, la temperaturi mai mici de 13°C (55°F), staniul suferă o rearanjare cristalină în structura staniului alb, care nu are bandă interzisă deoarece este metalic.
Semiconductorii compuși sunt formați din mai mult de un element și oferă posibilitatea de a regla chimic dimensiunea benzii interzise. Semiconductorii compuși tipici vor combina elemente din grupa treisprezece și grupa cincisprezece din tabelul periodic. Acești semiconductori compuși adoptă, de asemenea, o structură cristalină de tip diamant, dar cu alternanță a tipurilor de atomi în rețeaua cristalină (figura 3b). Prin combinarea elementelor cu trei și cinci electroni de valență (cum ar fi aluminiul și, respectiv, fosforul) – o medie de patru electroni pe atom – se obține un material cu proprietăți similare cu cele ale siliciului cu patru electroni de valență. Cu toate acestea, deoarece orbitalii fosforului au o energie mai mică, iar orbitalii aluminiului au o energie mai mare decât cei ai siliciului, se observă o bandă interzisă mai mare pentru semiconductorul compus AlP (3,0 eV). Prin combinarea elementelor mai grele, galiu și arsenic, se formează arsenura de galiu (GaAs), cu o bandă interzisă de 1,4 eV. O chimie similară este posibilă prin combinarea elementelor din grupele doisprezece și șaisprezece, care, de exemplu, dau semiconductorii sulfură de zinc (ZnS) și selenură de cadmiu (CdSe), cu benzi interzise de 3,8 eV și, respectiv, 1,8 eV.
Doptanți în semiconductori. Puritatea pentru un semiconductor de calitate electronică trebuie să fie mai mare de 99,999%. Cu toate acestea, controlul cantității și tipului de impuritate poate regla fin proprietățile semiconductorului. De exemplu, adăugarea unei impurități de fosfor (cu cinci electroni de valență) la siliciu (cu patru electroni de valență) adaugă efectiv un electron în plus pentru fiecare atom de fosfor adăugat în cristal. Astfel, fosforul este un donator pentru siliciu. Atomii de fosfor dopant vor deplasa atomii de siliciu din cristal, dar structura generală a cristalului nu se modifică, nici structura benzilor. Cu toate acestea, electronul suplimentar trebuie să intre în banda de conducție, deoarece banda de valență era deja plină. Se obține astfel un semiconductor de tip n. Dimpotrivă, dopajul siliciului cu aluminiu furnizează un număr prea mic de electroni, lăsând o gaură în banda de valență pentru fiecare atom de aluminiu adăugat. Astfel, aluminiul este un acceptor de siliciu. După ce au pierdut electroni, găurile poartă o sarcină pozitivă, formând un semiconductor de tip p -. Deoarece diferența de energie dintre nivelele donatoare și banda de conducție (En) sau dintre nivelele acceptoare și banda de valență (Ep) este foarte mică, acești semiconductori dopați vor prezenta o conductivitate mai mare și o dependență de temperatură mult mai mică decât cea observată pentru un semiconductor intrinsec.
Joncțiunea P-N. Nivelul Fermi al unui semiconductor de tip p este mai mic în energie decât cel al unui semiconductor de tip n. Atunci când semiconductori de tip p – și n – sunt uniți, se creează un nivel Fermi comun prin combinarea găurilor și electronilor la interfață. În această zonă de epuizare de la joncțiune nu sunt prezenți purtători. Atunci când se aplică o tensiune pozitivă pe partea de tip p a joncțiunii p-n și o tensiune negativă pe partea de tip n, curentul poate circula deoarece tensiunea pozitivă împinge găurile spre catodul
negativ, iar tensiunea negativă împinge electronii liberi spre anodul pozitiv. În schimb, conectarea bateriei în sens invers va crește dimensiunea zonei de epuizare, deoarece tensiunea negativă atașată la latura p a joncțiunii va atrage mai multe găuri spre acel electrod, iar tensiunea pozitivă atașată la semiconductorul de tip n va atrage electronii spre electrod și îi va îndepărta de joncțiune, lăsând o zonă de epuizare mai mare. Ca urmare, nu există purtători liberi și nu poate trece niciun curent. Astfel, această joncțiune p-n formează cel mai simplu dispozitiv în stare solidă, cunoscut sub numele de diodă.
Diode. Diodele sunt, în esență, supape unidirecționale pentru conductivitate electronică. Un astfel de dispozitiv este foarte important într-o sursă de alimentare care convertește curentul alternativ în curent continuu, necesar pentru multe dispozitive electronice. Conectarea unei singure diode la un circuit electric de curent alternativ va bloca fie oscilațiile pozitive, fie cele negative ale tensiunii, descrisă ca semirectificare. Conectarea a patru diode (așa cum se arată în figura 6) va da o redresare a undei complete, convertind curentul alternativ în curent continuu. Adăugarea condensatoarelor la acest circuit va netezi oscilațiile de tensiune pentru funcționarea reală a dispozitivului.
Când curentul electric trece prin orice joncțiune p-n, electronii care călătoresc prin banda de conducție sau găurile care călătoresc prin banda de valență se pot recombina cu găurile, respectiv electronii, peste banda de separare. Această recombinare are loc în principal cu electronii care au fost împinși în regiunea de tip p a diodei și cu găurile care au fost împinse în regiunea de tip n a diodei de către tensiunea externă. Pe măsură ce electronii și găurile se recombină peste banda interzisă, se eliberează energie, adesea sub forma unui foton cu o energie egală cu cea a benzii interzise. Semiconductorii cu benzi interzise între 1,8 eV și 3,1 eV vor emite fotoni de lumină vizibilă (de la roșu la violet ). Aceștia sunt cunoscuți sub numele de LED-uri. De fapt, toate diodele emit lumină, dar majoritatea au o bandă interzisă care este mai mică decât energia unui foton vizibil.
Ca urmare, majoritatea diodelor emit fotoni în infraroșu. O astfel de emisie în infraroșu este utilizată pentru semnalizare în multe dispozitive de telecomandă.
Transistoare. Tranzistoarele sunt dispozitive de comutație și de amplificare în stare solidă, iar invenția lor din 1947 a fost cea care a dat cu adevărat startul revoluției electronice de la sfârșitul secolului al XX-lea. Un tranzistor bipolar n-p-n se formează prin conectarea semiconductorilor de tip n de o parte și de alta a unui semiconductor subțire de tip p. După cum se arată în figura 7, tranzistorul acționează ca un comutator pentru circuitul conectat la sursa de alimentare de 10 V. Dacă se aplică o mică tensiune negativă la bază (contactul B), găurile sunt îndepărtate din semiconductorul de tip p, creând o barieră izolatoare. Acesta este același proces ca și cum ai încerca să forțezi curentul în sens invers prin două joncțiuni p-n. Ca urmare, niciun curent nu va trece între niciunul dintre contacte. Cu toate acestea, dacă se aplică o mică tensiune pozitivă la contactul bazei, un anumit curent va trece prin bucla de control (electroni care trec de la emițător la bază). Deoarece tensiunea furnizată între emițător (contactul E) și colector (contactul C) este mult mai mare decât tensiunea de bază, o fracțiune mult mai mare de electroni va traversa stratul subțire de tip p, dând curentul de colector mult mai mare.
După cum a fost descris mai sus, tranzistorul funcționează ca un simplu dispozitiv pornit/oprit, în funcție de semnul tensiunii aplicate la între bază și emițător. Deoarece curentul de bază este mic și curentul de colector este mare, același dispozitiv cu semiconductori poate fi utilizat și ca amplificator de semnal. Raportul dintre curentul de colector și curentul de bază este în esență constant pentru un anumit dispozitiv. Deoarece curentul de bază este proporțional cu tensiunea bază-emitor (tensiunea dintre B și E), iar curentul de colector este proporțional cu tensiunea emitor-colector (tensiunea dintre E și C), o oscilație mică a tensiunii introduse de la un microfon, de exemplu, în bucla BE va fi
amplificată până la o oscilație mare a tensiunii din bucla EC, care poate fi apoi conectată la un difuzor.
Deși combinații variate de semiconductori pot fi fabricate în multe dispozitive solide diferite, funcționarea dispozitivului este puternic dependentă de chimia elementelor care alcătuiesc semiconductorii. Legătura dintre elementele care alcătuiesc semiconductorii determină structura benzii electronice și dimensiunea benzii interzise. Numărul de electroni de valență determină gradul de umplere a acestor benzi și, prin urmare, proprietățile electronice. Eforturile de cercetare în curs de desfășurare continuă să descopere noi semiconductori cu noi aplicații posibile. În plus, se investesc eforturi extinse pentru a proiecta dispozitive din ce în ce mai mici, cu scopul de a trece de la dispozitive în stare solidă (bazate pe materiale cristaline) la dispozitive cu o singură moleculă.
James D. Martin
Bibliografie
Campbell, Dean J.; Lorenz, Julie K.; Ellis, Arthur B.; Kuech, Thomas F.; Lisensky, George; Whittingham, C.; și Stanley, M. (1998). “The Computer as a Materials Science Benchmark”. Journal of Chemical Education 75:297-312.
Ellis, Arthur B.; Geselbracht, Margret J.; Johnson, Brian J.; Lisensky, George C.; și Robinson, William R. (1993). Predarea chimiei generale: A Materials Science Companion. Washington, DC: American Chemical Society.
.