Fizica Generala

1. FizicaGenerala Curs 14

2. Elemente de fizica stării solide

3. Elemente de fizica stării solide • Starea solidă este o stare condensată a materiei, caracterizată prin interacţii interatomice suficient deputernice pentru a conferi materialului un volum propriu şi o formă proprie. • Corpurilesolide pot fi: • (i) cristaline, care sunt caracterizate printr-o stuctură ordonată, pe domenii întinse avândaceeaşi configuraţie • (ii) amorfe, care prezintă o structură de ordine numai pe domenii foarte restrânse,configuraţia fiind diferită în spaţiu. • un cristal este perfect dacă reţeaua cristalină se prelungeşte neîntreruptă în tot materialul. • Reţeaua cristalină se caracterizează prin constantele de reţea, care sunt distanţe caracteristice între atomiireţelei. • Cristalele reale prezintă unele abateri de la această structură ideală. • Atomistrăini (impurităţi), care ocupă locuri în reţea • dislocaţii în reţeua cristalină, adică plane de atomi care au alunecat faţă de alteplane ale reţelei cristaline.

4. Elemente de fizica stării solide • Forţele responsabile de aranjarea atomilor în cristal determină trei tipuri decristale: • (i) cristale ionice, • (ii) cristale covalente • (iii) cristale metalice. • Cristalele ionice sunt formate din ioni pozitivi şi ioni negativi ai elementelor chimice, aranjaţi altenativ.Cristalele ionice sunt izolatoare la orice temperatură, deoarece în structura lor nu se găsesc electroniliberi. • Cristalele metalice sut formate din ioni care pun în comun electronii lor de valenţă. Aceşti electroniformează un nor electronic uniform distribuit în reţeaua cristalină. Nefiind legaţi de un atom anume,aceşti electroni se mişcă liberi prin metal, ei putând circula printre ionii reţelei metalice şi pot conducecurentul electric. Astfel metalele conduc curentul electric la orice temperatură.

5. Elemente de fizica stării solide Cristalele covalente se realizaeză cu atomi ai grupei a patra a sistemului periodic. Aceşti atomi au câte patru electroni de valenţă. În reţeaua cristalină fiecare atom este înconjurat de patru vecini (cei mai apropiaţi) cu care pune în comun câte un electron de valenţă. La anumite temperaturi, nu foarte ridicate, unii dintre electronii de valenţă pot rupe legătura covalentă şi devin electroni liberi în cristal. Locul rămas liber în legăturacovalentă de unde a plecat electronul se numeşte gol de conducţie. Atât electronii liberi cât şi golurile deconducţie participă la conducţia curentului electric din cristalul covalent. Cele mai importante cristale deacest tip se numesc cristale semiconductoare

6. Elemente de fizica stării solide • Pentru corpurile solide – o caracteristica importanta este rezistivitatea electrica, ρ si dependenta acesteia de temperatura • Rezistivitatea electrică reprezintă intensitatea câmpului electric pe unitatea de densitate decurent. • Cu cât rezistivitatea electrică este mai mare, cu atât este mai intens câmpul electric necesar pentrustabilirea unei densittăţi de curent date. • În SI unitatea de măsură pentru rezistivitatea electrică este[ρ] = 1 Ω m. • Cu cât rezistivitatea electrică a unui material este mai mare, cuatât conductivitatea electrică este mai redusă. • Conductivitatea electrică a unui material reprezintă posibilitatea ca sarcinile electrice să fiemobile prin corpuri realizate din aceste materiale, astfel încât să conducă curentul electric prin corp, laaplicarea unei diferenţe de potenţial.

7. Elemente de fizica stării solide In cazul metalelor rezistivitatea electricăvariază cu temperatura după legea: unde ρ0este rezistivitatea la temperatura de referinţă T0, α este coeficientul termic al rezistivităţii, iarΔT= T- T0, este diferenţa dintre temperatura T la care este exprimată rezistivitatea electrică şi temperaturade referinţă.

8. Elemente de fizica stării solide • Semiconductori • formează o clasă aparte în ceea ce priveşte conducţia electrică. • Sarcinile electrice deconducţie din semiconductori, sau purtătorii, sunt electronii de conducţie şi golurile. • Procesul degenerare de electroni de conducţie şi de goluri constă în ruperea legăturilor covalente dintre anumiţiatomi, rolul principal fiind jucat de temperatura la care se află semiconductorul: • cu cât temperatura estemai mare cu atât creşte numărul de legături covalente din care unii electroni de valenţă sunt puşi înlibertate, ei devenind electroni de conducţie. Locurile lăsate vacante de aceşti electroni poartă numele degoluri de conducţie

9. Semiconductori intrinseci (puri). structura unui cristal de Si pur ne arata ca prin realizarea legăturilor covalente atomiisunt astfel aşezaţi încât fiecare atom de Si este înconjurat de patru atomi vecini de Si, cu fiecare având încomun câte un electron de valenţă. Astfel structura de pe stratul exterior al fiecărui atom de Si este una deoctet => fiecare atom de Si se comportă ca şi cum ar avea el singur toţi cei opt electroni pe stratul devalenţă, deşi ai lui sunt doar patru (o structură cu un număr de opt electroni pe ultimul stratconferă atomului o stabilitate deosebită). Semiconductorii puri, sau intrinseci, se caracterizează prinegalitatea numărului de purtători de sarcină electrică negativă şi pozitivă (ni = ne = np). Conductivitateasemiconductorilor puri este redusă (o parte din electronii de valenta sunt liberi) Conducţia electrică din semiconductorii puri se numeşte conducţie intrinsecă.

10. Semiconductori Semiconductori cu impurităţi Pentru a mări conductivitatea electrică a semiconductorilor se realizeazăcristale covalenteîn care se introduc impurităţi înprocesul de solidificare(Arseniu –grupa V, Galiu – grupa III) => un semiconductor impurificat sau extrinsec Impuritati din grupa a V-a - semiconductor de tip n (electroni liberi) Impuritati din grupa a III-a - semiconductor de tip p (goluri libere) Acest tip de conducţie electrică, prin intermediul impurităţilor de concentraţie controlată se numeşte conducţie extrinsecă, iar semiconductorii impurifiaţicu impurităţi de tip p sau de tip n se numesc semiconductori extrinseci. Putatorii de sarcina rezultati – purtatori majoritari

11. Dispozitive cu semiconductori Joncţiunea semiconductoare p-n formată dintr-un cristal de germaniu (sausiliciu) ce a fost impurificat într-o regiune cu atomi pentavalenţi (de tip n) şi în alta cu atomi trivalenţi (detip p), regiunile fiind separate de o zonă numită joncţiune. Lacontactul celor două zone se realizează o regiune de baraj (zona de saracire): în zona n se află o sarcină electrică pozitivănetă (obţinută prin difuzia electronilor în zona p), iar în zona p se află sarcină electrică negativă (obţinutăprin difuzia golurilor spre zona n). În joncţiune ia naştere un câmp electric orientat dinspre zona n sprezona p.

12. Dispozitive cu semiconductori Dioda semiconductoare Dacă se conectează o joncţiune p-n într-un circuit electric exterior, se obţine odiodă semiconductoare Aplicând o tensiune variabilă în circuitul din figura, se constată cădispozitivul conduce curentul electric dacă polarizarea este cu potenţialulpozitiv la zona p.

13. Dispozitive cu semiconductori http://www-g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/linearcircuits/diode.html Functionare Atunci când regiunea p se află la un potenţial pozitiv, deci mai ridicatdecât regiunea n, se reduce valoarea potenţialului electric din zona de baraj a diodei, astfel că estefacilitată trecerea golurilor din regiunea p către regiunea n, iar a electronilor din zona n către regiunea p. Atunci când se inversează polaritatea aplicată pe diodă, câmpul electric din zona de barajcreşte şi mai mult, împingând electronii din zona p în zona n şi golurile din regiunea n spre regiunea p. Dar în regiunea n concentraţia de goluri este foarte redusă (se datoreză numai conductivităţii intrinseci şimigraţiei din zona p). În mod similar, în zona p concentraţia de electroni este redusă. De aceea lapolarizare negativă pe zona p a diodei se obţin curenţi foarte reduşi

14. Dispozitive cu semiconductori Relaţia dintre tensiunea şi intensitatea curentului electric prindiodă este de forma: unde I0 este o constantă caracteristică tipului de semiconductor, e este sarcina electronului, k esteconstanta lui Boltzmann, iar T este temperatura absolută.

15. Dispozitive cu semiconductori Tranzistorul Un tranzistor este un dispozitiv format din două joncţiuni p-n, aşezate înconfiguraţia p-n-p sau n-p-n. Cele trei zone ale tranzistorului se numesc bază, emitor şi colector.

16. Dispozitive cu semiconductori Se observă că tensiunea bază-colector este cu polarizare inversă, ceea ce va determina ca în absenţa surseidintre emitor şi bază, prin colector să treacă un curent foate redus. Aceste curent reprezintă efectulpolarizării inverse a unei joncţiuni p-n. Dacă între emitor şi bază se aplică o tensiune directă, Ue, atunci golurile din emitor se pun în mişcare şi trec prin bază, spre joncţiunea bază-colector. Ele trec apoi şi prin colector, generând un curent electric prin rezistenţa din circuitul bazăcolector. Astfel prin circuitul colectorului trece un curent a cărui intensitate este controlată de curentuldin circuitul emitorului. Tensiunea din circuitul colectorului, Uc, controlează puterea electrică disipatăpe rezistorul R. Dacă Uc >Ue, tranzistorul funcţionează ca amplificator de tensiune.