Electronica -Teorie Si Aplicatii

5/24/2018 Electronica -Teorie Si Aplicatii

1/250


2/250

CONSTANTIN STNESCU

ELECTRONIC. TEORIE IAPLICAII

EDITURA UNIVERSITII DIN PITETI2009

ISBN: 978-973-690-948-1


3/250

Constantin Stnescu Electronic. Teorie i aplicaii

2

Copyright 2009 Editura Universitii dinPiteti

Toate drepturile asupra acestei ediii sunt rezervateEditurii Universitii din Piteti.

Nici o parte din acest volum nu poate fi reprodussub orice form, fpermisiunea scrisa autorilor.

Editor:lector univ. dr. Sorin FIANU

Refereni tiinifici:

- prof. univ. dr. Ion Iorga Simn- conf. univ. dr. Dumitru Chirlean

ISBN: 978-973-690-948-1

Editura Universittii din PitestiStr. Trgu din Vale, nr.1,

110040, Piteti, jud. Arge

tel/fax: 40248 21.64.48


4/250


3

CUPRINS

CUVNT NAINTE............................................................................................. 61. NOIUNI DE FIZICA SOLIDULUI ............................................................ 8

1.1. Reele cristaline ...................................................................................... 81.2. Structura energetica corpului solid ....................................................... 81.3. Concentraia de purttori n metale ....................................................... 121.4. Conducia electricla metale ................................................................ 151.5. Concentraia de purttori n semiconductori .......................................... 17

1.5.1. Semiconductori intrinseci .............................................................. 171.5.2. Semiconductori extrinseci .............................................................. 19

1.6. Conducia electricla semiconductori ................................................... 241.7. Cureni de difuzie n semiconductori..................................................... 241.8. Fenomene optice n semiconductori ...................................................... 281.9. Tehnici de obinere a semiconductorilor intrinseci i extrinseci ............. 311.10. Aplicaii directe ale materialelor semiconductoare............................. 321.11. Aplicaii ............................................................................................ 33

1.11.1. Noiuni introductive pentru laboratorul de electronic................ 331.11.2. Elemente pasive de circuit .......................................................... 361.11.3. Tuburi electronice ...................................................................... 40

2. DIODA SEMICONDUCTOARE ................................................................ 482.1. Jonciunea p n .................................................................................... 482.2. Parametrii diodei semiconductoare ....................................................... 562.3. Schema echivalenta diodei semiconductoare ...................................... 582.4. Metode de obinere a jonciunilor semiconductoare............................... 592.5. Tipuri de diode semiconductoare .......................................................... 602.6. Fenomene optice n jonciunea p-n........................................................ 632.7. Aplicaii................................................................................................ 66

2.7.1. Dioda semiconductoare.................................................................. 663. CIRCUITE DE REDRESARE .................................................................... 71

3.1. Generaliti ........................................................................................... 713.2. Redresorul monoalternanmonofazat cu sarcinrezistiv.................... 723.3. Redresorul monofazat bialternancu sarcinrezistiv......................... 743.4. Redresorul monofazat cu sarcinRL ..................................................... 773.5. Redresorul monofazat cu sarcinRC .................................................... 783.6. Redresorul cu dublare de tensiune ......................................................... 793.7. Filtre de netezire a tensiunii redresate ................................................... 803.8. Stabilizatoare de tensiune ..................................................................... 81

3.8.1. Stabilizatoare parametrice .............................................................. 823.8.2. Stabilizatoare cu compensare ......................................................... 833.8.3. Stabilizatoare cu reacie ................................................................. 84


5/250


4

3.9. Aplicaii................................................................................................ 843.9.1. Redresarea curentului alternativ ..................................................... 843.9.2. Dioda stabilizatoare (ZENER) ....................................................... 89

4. TRANZISTORUL BIPOLAR ..................................................................... 944.1. Construcie; principiu de funcionare .................................................... 944.2. Caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar .................................... 984.3. Circuite echivalente statice liniarizate ................................................. 1014.4. Polarizarea tranzistorului bipolar; stabilizarea termic........................ 1024.5. Parametrii de semnal mic ai tranzistorului bipolar; scheme echivalente108

4.5.1. Ecuaiile i schema echivalentcu parametrii Z ........................... 1084.5.2. Ecuaiile i schema echivalentcu parametrii Y ........................... 1094.5.3. Ecuaiile i schema echivalentcu parametrii hibrizi, h................ 1104.5.4. Circuitul echivalent natural (Giacoletto) ...................................... 111

4.6. Tranzistorul bipolar n regim de comutaie .......................................... 1124.7. Alte dispozitive semiconductoare cu jonciuni .................................... 1144.7.1. Tranzistorul unijonciune (TUJ) ................................................... 1144.7.2. Tiristorul ..................................................................................... 1174.7.3. Triacul i diacul ........................................................................... 120

4.8. Aplicaii.............................................................................................. 1224.8.1. Tranzistorul bipolar. Caracteristici statice .................................... 1224.8.2. Tranzistorul bipolar. Parametrii hibrizi ........................................ 1264.8.3. Repetorul pe emitor ..................................................................... 1284.8.4.

Tiristorul ..................................................................................... 131

5. TRANZISTORUL CU EFECT DE CMP ............................................... 137

5.1. Tranzistorul cu poart(gril) jonciune (TEC-J) .................................. 1375.1.1. Construcia TEC-J ....................................................................... 1375.1.2. Funcionarea TEC-J ..................................................................... 1385.1.3. Caracteristicile TEC-J .................................................................. 143

5.2. Tranzistorul cu poart(gril) izolat(TEC-MOS) ............................... 1455.3. Parametrii de semnal mic ai TEC. Schema echivalent....................... 1485.4. Polarizarea TEC ................................................................................. 1495.5. Aplicaii.............................................................................................. 150

5.5.1. Tranzistorul cu efect de cmp cu poart-jonciune (TEC-J) .......... 1505.5.2. Tranzistorul cu efect de cmp cu poartizolat(TEC-MOS) ....... 156

6. AMPLIFICATOARE ................................................................................ 1606.1. Noiuni generale. Clasificare ............................................................... 1606.2. Parametrii amplificatoarelor................................................................ 1616.3. Amplificatorul de semnal mic cu cuplaj RC ........................................ 1626.4. Amplificatoare de putere..................................................................... 1656.5. Principiul reaciei; reacia n amplificatoare ........................................ 1676.6. Influena reaciei asupra parametrilor amplificatoarelor ...................... 1696.7. Amplificatorul diferenial ................................................................... 1706.8. Amplificatoare operaionale ................................................................ 172


6/250


5

6.8.1. Descriere; funcionare .................................................................. 1726.8.2. Aplicaii ale amplificatoarelor operaionale .................................. 175

6.9. Aplicaii.............................................................................................. 1786.9.1. Amplificatorul de tensiune cu tranzistor n montaj emitor comun . 1786.9.2. Principiul reaciei. Reacia negativ............................................. 1826.9.3. Amplificatorul diferenial ............................................................ 1866.9.4. Amplificatoare operaionale ......................................................... 189

7. GENERATOARE DE SEMNAL .............................................................. 1947.1. Oscilatoare ......................................................................................... 194

7.1.1. Parametri; clasificare ................................................................... 1947.1.2. Oscilatoare cu reacie ................................................................... 1957.1.3. Oscilatoare cu rezistennegativ................................................ 198

7.2. Impulsuri ............................................................................................ 2007.2.1. Circuite de formare a impulsurilor ............................................... 2007.2.2. Circuite basculante ...................................................................... 202

7.3. Aplicaii.............................................................................................. 2077.3.1. Oscilatoare .................................................................................. 2077.3.2. Circuite basculante ...................................................................... 210

C. Circuitul astabil ........................................................................................ 2128. CIRCUITE LOGICE................................................................................. 214

8.1. Elemente de algebrboolean............................................................. 2148.2. Circuite logice cu dispozitive semiconductoare ................................... 2188.3.

Circuite basculante utilizate ca circuite logice ..................................... 221

8.4. Circuite logice secveniale .................................................................. 2258.5. Aplicaii.............................................................................................. 227

8.5.1. Circuite logice ............................................................................. 2278.5.2. Numtoare i registre de deplasare ............................................ 231

C. Numtoare ............................................................................................. 2359. MICROPROCESOARE I CALCULATOARE ELECTRONICE ............ 238

9.1. Calculatoare electronice numerice ...................................................... 2389.2. Microprocesoare ................................................................................. 2429.3. Scurtistorie a calculatoarelor electronice .......................................... 245


7/250


6

CUVNT NAINTE

Prezenta lucrare a fost scrisiniial ca un curs destinat studenilor care nu auca specializare electronica din Facultatea de tiine a Universitii din Piteti,devenind ulterior o carte cu acoperire mai larg, ce poate fi util i altor categorii,cum este cazul profesorilor care doresc s se perfecioneze n vederea susineriiunor concursuri i examene de grad precum i a tuturor celor care doresc scapetecunotinele de bazdin domeniul electronicii. Evident, nu au fost abordate toateaspectele proceselor, acest lucru fiind datorat, n primul rnd, faptului clucrareade fai propune sabordeze bazele electronicii fizice, fa intra n aspecte de

detaliu.Am scris aceast lucrare avnd mereu n minte ideea de a o prezenta sub oformct mai clar i ct mai simpl(nu simplificatoare), fa insista prea multpe aspectul matematic al chestiunilor abordate, pornind de la ideea cnvarea nunseamn n primul rnd achiziionarea unui volum ct mai mare de date ciobinerea unei viziuni de ansamblu ct mai corecte asupra fenomenelor care au loc.De aceea, am insistat ct mai puin posibil pe aspectul formal al faptelor prezentatei, mai ales pe aspectul calitativ, fenomenologic al acestora. Este mult mai puinimportant s memorm o formul dect s tim s o interpretm corect i s ofolosim cnd este cazul. Din aceast cauz, s-ar putea ca, uneori, rigurozitateaprezentrii unor demonstraii i aspecte formale s fi avut de suferit dar aceasteventualpierdere este compensatcu sigurande formarea unei imagini clare afenomenelor. Pentru cei care doresc s aprofundeze domeniul, existnumeroaselucrri (unele din ele indicate n bibliografia de la sfritul lucrrii) care detaliazunele sau altele din problemele abordate.

Fiecrei teme i-au fost ataate i unele aplicaii experimentale, care pot firealizate n laborator. Acestea sunt structurate n patru pi:

- o primparte cuprinde prezentarea sumara unor noiuni teoretice, absolutnecesare pentru desfurarea aplicaiilor;

- cea de-a doua parte prezint scopul aplicaiei experimentale i descriereamontajului experimental utilizat i a celorlalte materiale, aparate etc.


8/250


7

necesare; n general, se folosete o machetde baz, care, mpreuncu alteaparate, de obicei de fabricaie industrial, permit desfurarea lucrrii;

- a treia parte prezint, pe etape, modul de lucru, indicndu-se operaiilenecesare pentru atingerea scopului propus; n general, indicaiile nu suntrigide, lsnd loc i laturii creative, euristice, a activitii;

- a patra parte cuprinde cteva ntrebri la care trebuie s se rspund, eleconstituindu-se ca o concluzie final a activitii; dei n mod evident,pentru a putea rspunde la aceste ntrebri, trebuie s se fi parcurs nprealabil materialul oferit de aplicaie, totui, acesta nu este ntotdeaunasuficient, motiv pentru care este necesar i consultarea altor materialebibliografice.Machetele tuturor aplicaiilor au fost realizate i testate n cadrul

laboratorului catedrei de fizic, folosindu-se numai piese recuperate din aparate

defecte, de regulde fabricaie romneasc.Tuturor celor care vor avea ocazia s consulte aceast lucrare le adresezrugmintea de a-mi transmite observaiile lor cu privire la diferitele aspecte alelucrrii, mulumindu-le cu anticipaie.

Autorul


9/250


8

CAPITOLUL I

1. NOIUNI DE FIZICA SOLIDULUI

1.1. Reele cristalineStarea solid cristalin este caracterizat prin legturi stabile ntre fiecare

particul constituent i cele vecine precum i printr-o ordonare la distan aacestor particule. Pentru descrierea structurii cristaline, se folosete o reprezentarespaial a poziiei particulelor constituente prin puncte, numite noduri, a crorpoziie este datde vectorul de poziie:

321 apanamr

(1. 1)

unde 321 a,a,a

sunt vectorii de poziie ai celui mai apropiat nod fade nodul

considerat drept origine, pe cele trei direcii n sistemul tridimensional ales, numiivectori fundamentali(de baz), iar m, n, p sunt numere ntregi.Poliedrul format de aceti vectori fundamentali se numete celul

elementar (figura 1.1). Prin translatarea cu multipli ntregi ai vectorilorfundamentali pe direciile lor, a acestei celule, se obine o reea tridimensional.

1.2. Structura energetica corpului sol idDin considerente ce au fost artate pe larg n cursul de fizica corpului solid,

structura energeticdiscret a atomului izolat, aa cum rezultea din rezolvareaecuaiei Schrdinger, nu mai este valabil i pentru atomii grupai n sistemecristaline, cnd apar interaciuni, dintre care cele mai importante sunt cele dintreelectronii periferici ai atomilor. Ca urmare a acestui fapt, teoria cuanticaratcfiecare nivel energetic discret se despicn mai multe subniveluri, foarte apropiatentre ele, al cror numr este egal cu numrul atomilor din reea, aceste subniveluriformnd o bandenergetic. Pentru un numr suficient de mare de atomi n reea,

se poate considera o distribuie continu a nivelurilor energetice dintr-o band.turile electronice ale atomilor determin astfel de benzi energetice ocupate cu

a3

a2a1

z

y

x

Fig.1.1


10/250


9

electroni, separate ntre ele prin zone n care energia electronilor nu poate luavalori, numite benzi interzise.

Dupmodul de ocupare a benzilor energetice cu electroni, apare deosebireadintre diferitele solide, fiind posibil i clasificarea acestora.

Dac n solid sunt N celule elementare, fiecare avnd s atomi, numrulatomic al acestora fiind Z, numrul total de electroni din solid va fi atunci NsZ.Numrul strilor energetice (innd cont de dubla valoare a spinului electronic)este egal cu. Vom face, mai nti, o analizla T = 0 K. Atunci: dac electronii, n numr de NsZ, ocup complet un anumit numr de benzi

(adicenergia celui mai nalt nivel energetic ocupat coincide cu limita superioara ultimei benzi ocupate), banda de deasupra acesteia, separat de ea printr-obandinterzis, va fi complet goal(figura 1.2).

Pentru a crea un curent electric printr-un solid, ar trebui ca electronii (sau celpuin o parte din ei) streacn stri energetice superioare celor n care se gsesc(ceea ce nseamn ruperea lor din legturile pe care le au cu atomii crora leaparin i trecerea lor n stare liber n solid), sub aciunea unui cmp electricexterior. Procesul nu poate avea loc ns n cazul solidelor cu structura descrismai sus sub aciunea unui cmp electric obinuit, electronilor fiindu-le necesaro

energie mare (cel puin egal cu lrgimea benzii interzise, Eg ) pentru a sri1

peste banda interzis i a trece ntr-o stare neocupat, aflatn banda de deasupra,iniial goal(care se numete bandde conducie,deoarece n ea se pot afla acetielectroni, care pot participa la conducia electric). Ultima bandcomplet ocupatse numete bandde valen, coninnd electronii de valenai atomilor solidului.Ca urmare a celor expuse, solidul este un dielectric (izolator), el neputnd

1De multe ori, pentru simplificare, se folosete expresia trecerea electronului de pe un nivelenergetic pe altul, sau altele asemtoare. Facem aici precizarea c este doar o exprimare

formal, nefiind nicidecum vorba de un salt real, fizic, dintr-un loc n altul al electronului ci doar deo schimbare a strii energetice a acestuia, care nu implicn mod necesar o modificare a poziiei luin spaiu.


11/250


10

permite trecerea unui curent electric dect n prezena unui cmp electric foarteintens (de ordinul a 108V/m), cnd se produce fenomenul de strpungere electric. dacelectronii nu ocupcomplet ultima bandenergetic, nivelul energetic cel

mai nalt ocupat aflndu-se n interiorul acesteia, atunci ei pot trece foarte u or,chiar i sub aciunea unui cmp electric foarte slab, n stri energetice superioare(aflate la valori infinit mici deasupra celor iniiale) ceea ce asigurtrecerea lor nstare libern cristal1i posibilitatea de a forma un curent electric.

Structura energetic n acest caz este prezentat n figura 1.3 i eacorespunde solidelor numite conductori, la care, la T = 0 K, ultima bandocupat(parial) este banda de conducie. Nivelul energetic maxim al strilor ocupate cuelectroni este nivelul Fermi.

Deci, la T = 0 K, solidele sunt fie conductori fie dielectrici (izolatori).La T > 0 K, dielectricii cu o lrgime Ega benzii interzise mic(< 3 eV), pot

prezenta o conducie electric, datoritfluctuaiilor termice, care permit obinereaenergiei necesare, de ctre unii electroni, pentru a trece n banda de conducie. Laconducia electrica acestor solide particip i golurile formate n banda de valenprin trecerea unor electroni n stri energetice superioare, din banda de conducie.Astfel de solide sunt numite semiconductori. Pentru un cristal cu un singur atompe celul, numrul benzilor ocupate (rezultat ca raport dintre numrul total de stri

energetice ocupate, NZ/2, i numrul de stri dintr-o band, N) este Z/2.Dac Z este impar, ultima band este incomplet ocupat, solidul respectivfiind un conductor (metal), cum sunt, de exemplu, metalele monovalente: alcaline(Li, Na, K, Rb, Cs) i nobile (Cu, Ag, Au), care au o bandocupatpe jumtate, cai cele trivalente (Al, Ga).

Elementele cu Z par nu sunt ns ntotdeauna dielectrici, aa cum ar rezulta,ca urmare a faptului cultima bandocupateste complet ocupat. Astfel, datoritsuprapunerii pariale a benzii de valencu cea de conducie, elementele bivalentesunt, toate, metale (de exemplu, Be, Mg, Ca, Hg, Zn). Unele dintre acestea sunt

1Electronul respectiv nu este complet liber ci se poate mica "liber" n cmpul periodic al reeleisolidului, fa putea s-l pseasc(aceasta ntmplndu-se numai n condiii deosebite).


12/250


11

nsslabi conductori, ca urmare a unei suprapuneri mici a benzilor energetice. Totdatoritsuprapunerii benzilor energetice, elementele pentavalente (As, Sb, Bi etc.)sunt metale, dei, avnd doi atomi n celula elementar, ultima bandeste completocupat. La aceste elemente se observ o conducie mixt (de electroni i degoluri), ele fiind semimetale.

n aceste cazuri, nivelul Fermi este plasat n zona de suprapunere a benzilor(figura 1.4).

Elementele tetravalente sunt metale sau semiconductori, cazul cel maiinteresant fiind cel al staniului, care, prezentnd doufaze solide, este metal ntr-

una i semiconductor n cealalt. De asemenea, carbonul, cu structura de diamant,este un izolator, pe cnd ca grafit este un semiconductor. Din aceeai categorie, aelementelor tetravalente, Ge i Si sunt semiconductori standard, iar Pb estemetal.

Cu excepia cazurilor amintite, elementele cu Z par sunt dielectrici.O problem ce merit a fi amintit aici este i cea a aa-numitelor stri

locale, datorate unor defecte structurale ale reelei, de tipul celor descrise n cursulde fizica corpului solid. Aceste defecte determin apariia, pe lng benzile deenergie permise, normale, ale solidului i a unor niveluri energetice discrete,

plasate uneori n interiorul benzilor permise, alteori n interiorul benzilor interzise.Aceste niveluri energetice, corespunztoare strilor locale, sunt foarte importante,ntruct electronii din aceste stri pot fi excitai i pot trece n stri din benzilepermise, modificnd concentraia purttorilor de sarcinelectricliberi n solid i,n acest fel, numeroase proprieti ale acestuia. Legat de aplicaiile practice, celmai cunoscut exemplu este cel al semiconductorilor cu impuriti (extrinseci).

n concluzie, din punctul de vedere al conduciei electrice, n funcie destructura celor trei benzi energetice (de valen - BV, de conducie - BC iinterzis), la temperaturi normale, cristalele se clasificn:

1. izolatori (dielectrici), la care lrgimea benzii interzise este cuprins ntre 3i 10 eV;

2. semiconductori, care au banda interzisde lrgime mai micdect 3 eV;


13/250


12

3. conductori, la care banda interzisare o lrgime practic neglijabilsau, nunele cazuri, banda de valen i cea de conducie se suprapun parial.

1.3. Concentraia de purttori n metaleConsidernd, pentru simplificare, o reea unidimensional, energia potenial

n reea poate fi reprezentat conform figurii 1.5, n care n1, n2,... reprezintnodurile reelei. Potenialul la marginea cristalului a fost ales cu valoarea zero.

Se observcun electron cu energia W1nu poate fi liber n cristal, neputndsi groapa de potenial n care se afl. El poate trece doar la un atom vecin, peacelai nivel energetic, fiind astfel un electron legat, care nu poate participa laconducia electric. n schimb, un electron cu energia W2se poate deplasa liber ninteriorul metalului, el fiind un electron de conducie. Pentru a putea psimetalul, unui electron nu i este nssuficientenergia W2, ntruct, dupcum sepoate vedea n figur, el ntlnete la marginea cristalului o barier de potenial.Numai electronii cu valori pozitive ale energiei, cum este W3, psesc metaluldevenind liberi n exteriorul acestuia. n modobinuit, electronii metalului nu auenergii care sle permitpsirea acestuia.

Electronii liberi din metal sunt distribuii pe diverse niveluri energetice dinbanda de conducie conform relaiei:

dn = f(w)N(w)dw (1. 2)unde dn este concentraia de electroni cu energii cuprinse n intervalul energeticdw, f(w) este probabilitatea ca starea cuanticde energie w s fie ocupatde unelectron, iar N(w) este densitatea de stri energetice din banda de conducie(numrul de stri energetice din unitatea de volum i pe unitatea de energie).


14/250


13

considerm un metal de form cubic, de latur a, n interiorul cruiapotenialul este considerat constant1,bariera de potenial la marginea acestuia fiindsuficient de naltpentru ca nici un electron snu poatpsi cristalul. n acestcaz, funcia de undasociatelectronului (funcia Bloch2) este nul n exteriorulmetalului ceea ce este posibil numai dacunda asociateste staionar, avnd unminim de amplitudine (nod) la capetele cristalului. Acest lucru impune cadimensiunea cristalului, a, s fie un multiplu ntreg al semilungimii de und a

undei asociate electronilor liberi din cristal, adica = f2

i, cum p =

h

, rezult:

p = fa2

h (1. 3)

w =2

222

ma8

hf

m2

p (1. 4)

Pentru cele trei direcii, relaia 1.3 devine:px= fxh/2a, py= fyh/2a, pz= fzh/2a

Electronii liberi din metal sunt caracterizai deci de patru numere cuantice:fx, fy, fzi s (numrul cuantic de spin).

ntr-o reprezentare n spaiul impulsurilor, innd cont de principiul deexcluziune al lui Pauli i de cele dou valori posibile ale lui s, densitateaelectronilor n acest spaiu este 2(2a/h)3 deci numrul electronilor cu impulsulcuprins n intervalul (p, p + dp) este:

dpph

a8dpp4ha22

81 2

3

32

3

Cum p = mw2 ,

pdp = mdw i p2dp = dwwm2 3 ,se poate scrie:

N(w)dw =

dwwh

m24

h

dpp83

2

3

3

2

Dacse noteaz:

C =

3

2

3

h

m24= 6,821027 32

3

meV ,

rezult:N(w) = C w (1. 5)

Trebuie precizat c n toat aceast discuie, m reprezint masa efectiv aelectronilor, aa cum a fost ea definitn cursul de fizica corpului solid.

1n realitate el are forma din figura 1.5 dar, pentru electronii liberi din metal aproximaia fcutestesuficient de bun.2a se vedea cursul de fizica solidului.


15/250


14

Electronii liberi ai metalului se supun statisticii Fermi-Dirac, astfel nctprobabilitatea de ocupare a unui nivel energetic de energie w este datde relaia:

f(w) =

kT

Ww F

e1

1

(1. 6)

unde WFeste energia Fermi, T - temperatura absoluta cristalului i k constantaBoltzmann.

Se vede c, la T = 0 K, pentru w > WF, f(w) = 0 i pentru w < WF, f(w) = 1,ceea ce semnificfaptul c, la 0 K, toate strile energetice aflate sub nivelul Fermisunt ocupate, iar cele de deasupra sunt, toate, libere. La T > 0 K, cnd w = WF,f(w) = 1/2, ceea ce dposibilitatea unei alte interpretri a nivelului Fermi (nivelulenergetic a crei probabilitate de ocupare este 50 %). n figura 1.6 este reprezentatgrafic expresia f(w)N(w) la diferite temperaturi.

Numrul total de electroni din unitatea de volum (concentra ia de electroni)este:

n = 23

F

W

0

2

1

WC3

2dwCw

F

(1. 7)Se constatc, la metale, concentraia electronilor de conducie este practic

constant, nedepinznd de temperatur. Rezult c, ntruct mobilitateaelectronilor este invers proporional cu temperatura, conductivitatea metaleloreste i ea invers proporional cu temperatura (rezistivitatea este directproporionalcu temperatura).

Pentru a scoate un electron din metal, dup cum s-a vzut anterior, estenecesar ca energia sa sfie cel puin egalcu nimea barierei de potenial de lamarginea cristalului. Energia electronilor la 0 K este nscel mult egalcu energiaFermi. Ca atare, pentru extracia unui electron este nevoie, n medie, de o energieegal cu diferena dintre nivelul barierei de potenial de la marginea cristalului i

energia Fermi, valoarea respectiv fiind o caracteristic a fiecrui metal, numit


16/250


15

energie de extracie1. Aceast energie poate fi primit de unii din electronii deconducie ai metalului pe diferite ci.

De exemplu, prin nclzirea metalului, cum se poate vedea din figura 1.6,unii din electroni pot avea energii mai mari dect W

Fi pot depi astfel bariera de

potenial, ieind din metal. Din calcule, rezult c, prin emisia electronilor dinmetal ca urmare a nclzirii acestuia la temperatura T (fenomen numit emisietermoelectronic),se formeaz un curent termoelectronic a crui densitate estedatde:

j = AT2 kTWext

e

(1. 8)Aceasta este legea emisiei termoelectronice, cunoscut i sub numele de

legea Richardson-Dushman.

1.4. Conducia electricla metaleDin cele vzute anterior, rezult c, la temperaturi obinuite, electronii de

valen ai metalelor se gsesc n banda de conducie; acest lucru nseamn c eisunt liberi sse mite n interiorul cristalului, nemaiaparinnd unui atom anume iconstituind astfel purttori de sarcinelectric liberi. Aceti electroni se comportca un gaz n care este scufundat reeaua cristalin.

Sub aciunea unui cmp electric exterior, de intensitate E

, electronii deconducie cap o micare ordonat, ce se constituie ntr-un curent electric dedensitate:

EE

dtdSdQj

(1. 9)

unde dQ este sarcina electric transportat n intervalul de timp dt prin suprafaatransversalde arie dS, pe direcia cmpului electric.

Aceastmicare dirijatse suprapune peste agitaia termic a purttorilor iare loc cu o vitezmedie constant, numitvitezde drift.

considerm un electron de conducie; asupra sa acioneazcmpul electricexterior, de intensitate E

, cu fora EeF

, imprimndu-i o acceleraie a

. Ca

urmare, viteza electronului crete pn cnd acesta ciocnete plastic un ion alreelei, cedndu-i ntreaga energie, dupcare micarea se reia n acelai mod, cu ovitez iniialnul. Presupunnd cciocnirile se succed la intervale de timp egale(acest lucru nsemnnd c distana parcurs ntre dou ciocniri consecutive esteegal cu drumul liber mediu), dependena de timp a vitezei electronului este deforma din figura 1.7, n care tCeste timpul dintre dou ciocniri consecutive, iarvmaxeste dat de relaia:

Em

ettav

n

CCmax

1Adesea, se folosete termenul de lucru mecanic de extracie


17/250


16

Viteza medie a acestei miri este datde relaia:

Em2

et2

vvn

Cmaxm

,

din care se vede cvm(care este viteza de drift) este constant, deci micarea esteuniform.

n realitate, ciocnirile nu au loc la intervale egale de timp dar formula sepoate folosi considernd o valoare medie a acestor intervale de timp dintre douciocniri consecutive, tCm. Atunci, viteza de drift a electronilor de conducie areexpresia:

EEm2

etv n

n

Cn

(1. 10)

rimea nreprezintmobilitatea electronilorde conducie. Densitatea decurent va fi deci:

EenvenE

E

dtdS

ddSen

E

E

dtdS

dQj nn

nlocuind:

enn= =1

(1. 11)

unde este conductivitatea electric a metalului, iar este rezistivitateaelectrica acestuia, densitatea de curent se scrie sub forma:

Ej (1. 12)

care reprezintforma locala legii lui Ohm.Acest model clasic d rezultate n concordan cu datele experimentale la

temperaturi obinuite. La temperaturi sczute ns, acest model nu mai corespunderezultatelor experimentale, fiind necesaro tratare cuantic.


18/250


17

1.5.Concentraia de purttori n semiconductori

1.5.1. Semiconductori intr inseci

Dup cum s-a vzut n paragraful 1.2, la semiconductori, banda de valeneste (la 0 K) complet ocupat i separat de banda de conducie (liber la 0 K)printr-o band interzis cu o lrgime de maxim 3 eV. n tabelul 1.1 este datvaloarea lrgimii benzii interzise pentru unele materiale semiconductoare. Latemperaturi sczute, semiconductorii se comportdeci, ca un izolator, nedispunndde purttori de sarcin electric liberi, care s formeze un curent electric subaciunea unui cmp electric exterior.

TABELUL 1.1. Lrgimea benzii interzise a unor semiconductoriSemiconductor Eg (eV) Semiconductor Eg (eV)

Si 1,1 CdS 2,4Se 0,8 PbS 0,41Ge 0,67 PbSe 0,23Te 0,34 PbTe 0,6Sn 0,1 GaP 2,24InSb 0,32 GaAs 1,35InAs 0,39 SiC 2,8InP 1,25 HgSe 0,6InSb 0,18 Al2O3 2,5

AlSb 1,5 Cu2O 1,5CdSe 1,8 ZnO 3,2

Crescnd nstemperatura, are loc aa-numitul proces de generare termicintrinsec a purttorilor de sarcin electric liberi, ca urmare a faptului c unanumit numr de electroni din banda de valenvor cta suficientenergie (prinintensificarea agitaiei termice) pentru a rupe legturile covalente la formarearora particip i a deveni liberi n interiorul cristalului. Din punct de vedereenergetic, acest lucru nseamntrecerea acestor electroni din banda de valen nbanda de conducie, energia minim necesar fiind egal cu lrgimea benziiinterzise. Este evident c, spre deosebire de metale, concentraia electronilor deconducie la semiconductori depinde de temperatur, avnd n vedere ctocmai eaeste cauza apariiei acestor electroni.

Legturile covalente corespunztoare electronilor trecui n banda deconducie rmn nesatisfcute, echivalnd cu o regiune de sarcin electricpozitiv, numitgolcare, la rndu-i, participla conducie, ca urmare a deplasriisale n sensul cmpului electric exterior. Acest proces are loc prin saltul pe care lpoate face un electron "legat" (situat energetic n banda de valen) de la un atomvecin, electron care ocup golul (situat, de asemenea, n banda de valen),

refcnd legtura covalent rupt i lsnd n locul su un alt gol. nlocuireadeplasrii reale a electronilor din banda de valencu deplasarea n sens invers a


19/250


18

golurilor lsate de acetia permite simplificarea studierii fenomenului de conducieelectricla semiconductori.

Deci generarea termicintrinsecconstn apariia electronilor de conducie(prin excitarea acestora din banda de valen n cea de conducie) concomitent cuformarea golurilor n banda de valen. Fiecrui electron din banda de conducie icorespunde un gol n banda de valen ceea ce nseamn c i concentraiaelectronilor de conducie este egal cu cea a golurilor, fapt caracteristicsemiconductorilor puri (intrinseci), a cror conducie electric este numitconducie intrinsec.

Procesul de generare este dublat de un proces invers, de recombinareelectron-gol, astfel nct, la o temperatur constant cele dou procese seechilibreaz, concentraia (egal) de electroni de conducie i de goluri, ni, numitconcentraie intrinsec,rmnnd constant.

Pentru determinarea concentraiei intrinseci se procedeaz ca n cazulmetalelor cu precizarea c energia golurilor se msoar n sens invers ca ceaelectronilor de conducie. Conform figurii 1.8, energia cinetica electronilor, Wkn,i cea a golurilor, Wkg, au expresiile: Wkn = w WC, respectiv Wkg= WV w,unde WCeste limita inferioara benzii de conducie, iar Wveste limita superioara benzii de valen.

Atunci, densitatea strilor energetice pentru electroni i goluri sunt date deexpresiile:

Nn(w) = 21

Cn2

1

C2

3

n3WwCWwm2

h

4

Np(w) = 21

Vp2

1

V2

3

p3wWCwWm2

h

4

Probabilitatea de ocupare a unei stri este dat tot de funcia Fermi-Dirac.

Pentru electronii din banda de conducie, expresia este tot cea datde relaia 1.6,care, la temperaturi obinuite, ntruct f(w)


20/250


19

kTwWF

ewf

, ceea ce ne arat c, n aceste condiii, funcia de distribuie sereduce la una de tip clasic (Maxwell-Boltzamnn). Concentraia de electroni este:

n =

C

F

C WkT

Ww

CnW n dweWwCdwwfwN

n = kTWW

CkT

WW

2

3

n3

CFCF

eNekTm2h

2 (1. 13)

Analog, pentru goluri,

p = VW

p dwwfwN , unde f(w) = 1 f(w),

ceea ce derivdin faptul co stare energeticpoate fi ocupatfie de un electron,fie de un gol, deci suma probabilitilor de ocupare a acelei stri cu un electron,

respectiv de un gol este egalcu unitatea. Evident, cumf(w) mp, el este mai aproape debanda de valen. Calculnd np = 2in , rezultconcentraia intrinsec:

ni= kT2E

VC

g

eNN (1. 16)

1.5.2. Semiconductori extrinseci

Introducerea unor impuriti n proporie foarte redusntr-un semiconductorse numete dopare. Folosind drept impuriti elemente pentavalente, cum sunt Sb,As, P, Bi, numite impuriti donoare, se obine un semiconductor extrinsec detip "n"n timp ce, folosind drept impuriti elemente trivalente, ca B, Al, Ga, In,numite impuriti acceptoare,se obine un semiconductor extrinsec de tip "p".

Aceste impuriti fiind ntr-o concentraie foarte redus (1014 1018atomi/cm3) nu modific structura cristalina semiconductorului, comportndu-seca impuriti substituionale, adicsubstituind n reea atomii de semiconductor i


21/250


20

fiind deci obligate sse comporte ca acetia (sformeze patru legturi covalentecu cei patru atomi de semiconductor vecini).

Atomii de impuriti donoare dispun astfel de un electron n plus fa denumrul necesar realizrii configuraiei electronice complete pe stratul de valen,electron care este foarte slab legat (energia de legturfiind de ordinul a 102eV).Prezena impuritilor donoare determinapariia unor stri locale nsoite de unnivel energetic discret situat n banda interzis, n imediata apropiere a benzii deconducie, numit nivel energetic donor,cruia i corespunde energia WD. La 0 K,acest nivel este complet ocupat cu cte un electron provenit de la fiecare atom deimpuritate donoare. Chiar i la temperaturi mai sczute, unii din electronii aflai penivelul donor pot trece n banda de conducie, ntruct energia de care au nevoiepentru aceasta, numit energie de activare, este foarte mic, n comparaie cuenergia necesar procesului de generare intrinsec. Evident, aflai n banda de

conducie, electronii respectivi sunt electroni de conducie ns locul gol, lsat deacetia pe nivelul donor nu este un gol care s poat participa la conduciaelectric. Acest proces, de apariie a electronilor de conducie prin excitareaelectronilor de pe nivelul donor n banda de conducie (proces nensoit de apariia,corespunztor fiecrui electron de conducie, a unui gol n banda de valen, ca laconducia intrinsec) se numete generare termic extrinsec a electronilor deconducie. Fizic, procesul constn ruperea electronului slab legat de atomul cruiai aparine, el devenind astfel liber n cristal. Concomitent cu acest proces, are loci procesul invers, de trecere a electronilor de conducie pe nivelul donor, astfel

nct, la o temperaturconstant, concentraia electronilor de conducie generaiextrinsec se menine constant, ca urmare a stabilirii unui echilibru dinamic ncristal.

n cazul impurificrii semiconductorului cu impuriti acceptoare, acestea auo legturnesatisfcut, ca urmare a faptului cnu dispun dect de trei electroni devalen, care, mpreuncu cei patru pui n comun de cei patru atomi vecini, nu potasigura configuraia electroniccomplet, de octet. Aceast legturnesatisfcutcreeazo stare local, caracterizatde un nivel energetic discret, situat n bandainterzis, n imediata apropiere a benzii de valen, nivel care la 0 K este completliber. Legtura poate fi saturatprin acceptarea unui electron legat, de la un atomvecin, acesta rmnnd legat de atomul de impuritate, deci nedevenind electronliber. Locul lsat liber de acest electron la atomul cruia i-a aparinut este nsungol care poate participa la conducie, prin procesele artate anterior. Energetic,procesul constn excitarea unui electron din banda de valenpe nivelul donor iapariia unui gol n banda de valen, proces care se poate petrece chiar i latemperaturi mai sczute, ntruct energia de care este nevoie pentru aceasta estefoarte mic, n comparaie cu energia necesarprocesului de generare intrinsec.

Acest proces, de apariie a golurilor n banda de valenprin excitarea unorelectroni din banda de valen pe nivelul acceptor (proces nensoit de apariia,

corespunztor fiecrui gol, a unui electron n banda de conducie, ca la conduciaintrinsec) se numete generare termicextrinseca golurilor. Concomitent cu


22/250


21

acest proces, are loc i procesul invers, de trecere a electronilor de pe nivelul donorn banda de valen, astfel nct, la o temperaturconstant, concentraia golurilorgenerate extrinsec se menine constant, ca urmare a stabilirii unui echilibrudinamic n cristal.

n ambele situaii, peste procesele descrise, se suprapune i cel de generaretermicintrinsec i, ca urmare, oricnd, n semiconductorii impurificai vor existaambele tipuri de purttori de sarcinelectricliberi, electroni de conducie i goluridar concentraiile lor nu mai sunt egale, ca la conducia intrinsec. Semiconductoriiimpurificai cu impuriti donoare (semiconductori extrinseci de tip n) vor avea oconcentraie mai mare de electroni de conducie dect de goluri (motiv pentru careelectronii de conducie sunt purttori majoritari, iar golurile purttoriminoritari), conducia electric realizat n acest caz numindu-se conducieextrinsecde tip n, iar cei impurificai cu impuriti acceptoare (semiconductori

extrinseci de tip p) vor avea o concentraie mai mare de goluri dect cea aelectronilor de conducie (n acest caz golurile sunt majoritare i electroniiminoritari). Procesele descrise mai sus sunt reprezentate n figura 1.9.

considerm acum un semiconductor extrinsec de tip n. ntruct, la 0 K,nivelul donor este complet ocupat, rezultcnivelul Fermi este situat ntre acestnivel i limita inferioara benzii de conducie: WC> WF> WD.

La o temperatur oarecare, n banda de conducie se gsesc electroniprovenii att prin generare intrinsec dar i prin generare extrinsec, nconcentraie n = nD+ ni, unde nieste concentraia de purttori generai prin proceseintrinseci, iar nDeste concentraia de electroni generai prin procese extrinseci.La temperaturi mici, generarea intrinseceste neglijabil, ni0 i, deci n nD.Concentraia electronilor de conducie generai extrinsec este egalcu concentraiade atomi donori ionizai i care, printr-un calcul analog celor anterioare, se aratcare expresia:


23/250


22

nD= ND kTWW FD

e

(1. 17)unde NDeste concentraia de atomi donori.

Pe de altparte, n paragraful anterior s-a dedus relaia 1.11, care exprim

concentraia de electroni din banda de conducie i care este valabil indiferent demodul de apariie a acestora:

n = NC kTWW CF

e

.innd cont c n nD, nmulind cele dou relaii i extrgnd rcina

trat, se obine:

n = kT2WW

DC

DC

eNN

Un calcul mai exact dvaloarea:

n = kT2WWDC DCe

2NN (1. 18)

La temperaturi de ordinul a 102 K, practic toi atomii donori sunt ionizai i,ntruct nc ni 0, n ND, deci concentraia electronilor de conducie rmnepractic constant. Temperatura la care practic toi donorii sunt ionizai se numetetemperaturde epuizare, TE.

La temperaturi i mai mari, peste o valoare Ti,1 generarea termic intrinsec

ncepe s se manifeste n mod evident i, cum concentraia atomilor desemiconductor este mult mai mare dect cea a atomilor de impuriti, iconcentraia electronilor de conducie provenii din generarea intrinsecva fi multmai mare dect cea a electronilor de conducie provenii prin generarea extrinsec,astfel nct ni>> NDi, deci, n ni.

n graficul din figura 1.10 este reprezentat variaia cu temperatura aconcentraiei electronilor de conducie ntr-un semiconductor extrinsec de tip n, deunde se poate constata c exist un domeniu de temperaturi destul de larg (ndomeniul de temperaturi ale mediului ambiant) n care aceasta este constant, faptpe care se bazeaz i majoritatea aplicaiilor materialelor semiconductoareextrinseci. Pentru comparaie, s-a reprezentat cu linie mai groas, variaia cutemperatura a concentraiei de electroni de conducie ntr-un semiconductorintrinsec. Zona I, la temperaturi sub temperatura de epuizare, este zona deconducie extrinsec, n care concentraia crete exponenial cu temperatura,exponentul fiind nsmic. Zona a II - a, la temperaturi cuprinse ntre TEi Ti, estezona de epuizare, n care concentraia de purttori rmne constant. Zona a III-a,la temperaturi peste Ti, este zona de conducie intrinsec, unde concentraia

1De fapt, nu existo temperaturexactla care putem spune ctoi donorii sunt complet epuizai

sau la care generarea intrinsecdevine evident, deci TEi T inu sunt n realitate valori exacte cidomenii de valori ale temperaturii. Formal, este mai comod ns s le considerm drept valorexacte.


24/250


23

purttorilor crete din nou exponenial nsmult mai rapid, exponentul fiind multmai mare. Mai exact, n aceastzonconcentraia este datpractic de relaia 1.16,unde exponentul este proporional cu Eg= WC WV (Eg~ 1 eV), n timp ce, nprima zon, concentraia este dat de relaia 1.18, n care exponentul esteproporional cu WC WD (WC WD~ 102eV).

n mod analog se produc i procesele ntr-un semiconductor extrinsec de tipp, n care nspurttorii majoritari sunt golurile, provenite din generarea termic

intrinsec i din generarea termicextrinsec(n acest caz electronii provin numaiprin generare termic intrinsec). La temperaturi mici, concentraia golurilor ntr-un semiconductor extrinsec de tip p este datde relaia:

p = kT2WW

AV

DC

eNN2

(1. 19)

unde NAeste concentraia de impuriti acceptoare. Un grafic asemtor celui dinfigura 1.10 se poate trasa i pentru concentraia de goluri dintr-un semiconductorextrinsec de tip p.

n tabelele 1.2 i 1.3 sunt date valorile energiei de activare la germaniu i

siliciu dopai cu diferite impuriti.

TABELUL 1.2. Valoarea energiei de activare la semiconductori dopai cu impuritidonoare

impuritatedonoare

Sb P As

WC WD(103eV)

semiconductor Si 43 45 53Ge 10 12 13


25/250


24

TABELUL 1.3. Valoarea energiei de activare la semiconductori dopai cu impuritiacceptoare

impuritateacceptoare

B Al Ga In

WA WV(103eV)

semiconductor Si 44 68 72 155Ge 10,4 10,2 10,8 11,2

1.6. Conducia electricla semiconductoriConsideraiile expuse n paragraful 1.4 sunt valabile i n cazul

semiconductorilor, numai caici trebuie s inem seama cexistdou tipuri depurttori: electronii (cu sarcinnegativ) i golurile (cu sarcinpozitiv). Acetiase vor deplasa sub aciunea unui cmp electric exterior cu viteza de drift1:

EEm2

etv;EEm2

etv pp

cmpn

n

cmn

(1. 20)

Se constatcviteza de drift a golurilor este n sensul cmpului electric, ntimp ce viteza de drift a electronilor este n sens invers acestuia. Fiecare tip depurttor va crea un curent electric cu densitatea:

nj

= enn E

= n E

; pj

= enp E

= p E

(1. 21)

Sensul celor doi cureni, determinai de cele dou tipuri de purttori, esteacelai cu sensul cmpului electric exterior. Curentul total, rezultat prin

suprapunerea lor are densitatea:pn jjj

= e(nn+ pp) E

= (n+ p) E

= E

(1. 22)

rimea= e(nn+ pp) (1. 23)

reprezint conductivitatea electric a semiconductorului, relaia 1.23 fiindcunoscut sub denumirea de formula conductivitii unui semiconductor cuimpuriti.

1.7. Cureni de difuzie n semiconductoriAm vzut cntr-un cristal (metal sau semiconductor), n prezena unui cmp

electric exterior, apare un curent electric, numit curent de cmp sau de drift.Cmpul electric exterior nu este nssingura cauzcare poate produce o deplasaredirijat a purttorilor de sarcin electric liberi. Aceasta poate fi produs i deexistena unui gradient de concentraie a purttorilor, datoratfie unui gradient detemperatur, fie injeciei ntr-o anumitzona unor noi purttori, fie aciunii unorradiaii care produc generarea de noi purttori etc. Acest gradient de concentraienatere unui curent de difuzie, analog cu procesul de difuzie a gazelor.

1n continuare, pentru electroni vom folosi indicele n i pentru goluri indicele p


26/250


25

considerm un semiconductor n care existun gradient de concentraiede electroni de conducie. Acesta dnatere unei difuzii a electronilor din zona deconcentraie mai mare spre cea de concentraie mai mic, tinznd spreuniformizarea concentraiei n toat masa cristalului. Deplasarea dirijat apurttorilor ca urmare a gradientului de concentraie reprezint un curent dedifuzie, a crui densitate este datde relaia:

nj

= eDn rn

(1. 24)

unde Dn este coeficientul de difuzie al electronilor, o constant ce depinde dematerial.

Dar cum np = ni2, nseamnc, paralel cu gradientul de electroni, exist i

un gradient de goluri, ce determin, la rndul su, un curent de difuzie dedensitate1:

pj

= eDp rp

(1. 25)Ca urmare a difuziei, n regiunile psite de electroni, respectiv goluri,

mn sarcini electrice imobile necompensate (regiunea din care au difuzatelectronii este scitn sarcini electrice negative, deci are un surplus de sarcinipozitive, iar cea din care au difuzat golurile are un surplus de sarcini negative), desemn opus. Aceastdistribuie de sarcinelectricdeterminapariia unui cmpelectric intern n cristal, intE

2, care determin, la rndul su, apariia unui curent

electric de drift, att pentru electroni ct i pentru goluri. Conform relaiei 1.21.

acetia au expresiile:intppdintnnd Eepj;Eenj

Se observ c cei doi cureni de drift au sens opus (vezi nota de subsol)sensului curenilor de difuzie. Ca urmare se va produce un fenomen de echilibrudinamic, ntruct efectul (curentul de drift) se opune cauzei (gradientul deconcentraie i curentul de difuzie). Echilibrul se stabilete cnd cei doi cureni, dedifuzie, respectiv de drift, sunt egali n modul, deci cnd curentul total este nul.Densitile totale de curent de electroni i respectiv de goluri sunt date de relaiile:

intnnndnn EnnDejjJ

(1. 26)

intpppdpp EppDejjJ (1. 27)

1a cum sunt scrise cele dourelaii, 1.24 i 1.25, sensul pozitiv ales este sensul lui gradn (careare, la rndul su, sensul de la zona de concentraie de electroni mai micspre cea de concentraiemai mare) deci i jni jpau sens pozitiv; gradp are sens negativ.2Sensul cmpului intern este de la zona din care au difuzat electronii liberi (unde a rmas un surplusde sarcin electricpozitiv imobil) spre cea n care au difuzat acetia; cum difuzia are loc din

zona de concentraie mai mare spre cea de concentraie mai mic, sensul cmpului electric interneste invers sensului gradientului concentraiei de electroni (care este de la zona de concentra ie maimicspre cea de concentraie mai mare) deci, conform conveniei, negativ.


27/250


26

Un semiconductor izolat ajunge deci la echilibru cnd nJ

i pJ

sunt egali cu

zero. Considernd, pentru simplificare, un gradient unidimensional, condiia demai sus pentru curentul de electroni se scrie:

nnEint= Dndxdn (1. 28)

Concentraia electronilor de conducie este datde relaia 1.13:

n0= NC kTWW CF

e

.Dacnsexist i un cmp electric (cmpul electric intern, n cazul de fa),

la energia WCtrebuie adugat un termen suplimentar, eU, care provine din faptul energia minim a electronilor de conducie este mai mare ca urmare aaccelerrii lor n diferena de potenial, U, creat de cmpul electric respectiv.

Concentraia electronilor de conducie este, n acest caz:n = NC kT

eUWW CF

e

= n0 kTeU

e

(1. 29)

Cum Eint=dx

dU , putem scrie:

intkT

eU

0 EkT

en

dx

dU

kT

een

dx

dn

(1. 30)

nlocuind relaia 1.30 n 1.28, rezult:

Dn= e

kT

n (1. 31)Printr-un calcul analog, se obine i:

Dp=e

kTp (1. 32)

a cum am artat anterior, la echilibru termic, concentraia purttorilor norice punct din semiconductor este constant n timp, ca urmare a echilibruluidinamic ce se stabilete ntre cele dou procese inverse: generarea termic irecombinarea purttorilor.

Se definesc viteza de generare, G, respectiv viteza de recombinare, R, ca

fiind numrul de purttori generai, respectiv recombinai n unitatea de volum i nunitatea de timp (dn/dt sau dp/dt). La echilibru, R = G.

De asemenea. se definete timpul de viamediu al purttorilor, nip,ca intervalul de timp mediu ntre momentul generrii i cel al recombinrii.

Este evident cviteza de recombinare depinde, pe lng ali factori, directproporional de concentraiile celor dou tipuri de purttori care se recombin.Astfel, putem scrie: R ~ np, relaie care, n cazul unor semiconductori extrinseci,la temperaturi medii capforma:

R ~ NDp0 pentru semiconductori de tip n R ~ NAn0 pentru semiconductori de tip p


28/250


27

unde ND i NA sunt concentraiile (constante) de impuriti donoare, respectivacceptoare.

innd cont i de definiia vitezei de recombinare, putem scrie expresiilevitezei de recombinare a purttorilor minoritari:

R = p0/ppentru semiconductori de tip n

R = n0/npentru semiconductori de tip p considerm acum un semiconductor de tip n, n care, la echilibru,

concentraia de purttori minoritari (goluri) este pno.Dac, printr-un mijloc oarecare, are loc creterea acestei concentraii la

valoarea pno + p0, se produce o stare de neechilibru, la ncetarea cauzei care aprodus surplusul de purttori, concentraia acestora scznd spre valoarea iniial,pno(p 0).

Valoarea pn = pno + p reprezint concentraia purttorilor deneechilibru, p fiind concentraia purttorilor n exces. Ecuaia ce descrie acestproces este; prin integrare, rezult:

pn(t) = pn0+ p0 pt

e

(1. 33)

unde pn(t) este concentraia purttorilor de neechilibru la momentul t dupncetarea cauzei care a produs dezechilibrul, iarp0 este concentraia iniial apurttorilor n exces. ntr-un mod asemtor, se poate scrie i o relaie care s

exprime concentraia purttorilor de neechilibru ntr-un semiconductor de tip p:np(t) = np0+ n0 n

t

e

(1. 34)

considerm acum o poriune paralelipipedic, de arie transversal A ilungime dx (figura 1.11) dintr-un semiconductor de tip n, prin care trece un curenttransversal de purttori minoritari, de densitate j.

Dac n acest volum se produce generarea de noi purttori, cu viteza degenerare G = p0/p, ntr-o regiune infinit mic n interiorul volumului respectivvom avea o concentraie p, de purttori minoritari, provenii, pe de o parte din


29/250


28

generare, pe de altparte prin transport de ctre curentul j, concentraie mai maredect p0i dependentde poziie. Recombinarea purttorilor are loc cu viteza R =p/pi este evident c, urmare a faptului cR > G, densitatea de curent la ieirea

din volumul considerat va fi diminuat cu o valoare dj. Din conservarea sarciniielectrice n volumul respectiv, putem scrie:

edxAdt

dp= edxA

p

p

+ edxA

p

0p

djA

Dar

Adj = AeDpdx

dp+ AeppE

(a se vedea relaia 1.27) i, deci:

x

Ep

x

pD

pp

t

p np2

n2

pp

0nnn

(1. 35)

Relaia de mai sus reprezintecuaia de transport Boltzmann.

DacE = 0 it

pn

= 0, relaia de mai sus devine:

pp

0nn2n

2

D

pp

x

p

, cu soluia:

pn(x) = pn0+ pn(0) pL

x

e

(1. 36)unde

Lp= ppD (1. 37)

se numete lungime de difuzie i reprezintdistana medie strtutde un golinjectat pnla recombinarea lui cu un electron.

Relaia 1.36 exprimscderea concentraiei de goluri (n general, de purttoriminoritari injectai ntr-o zondin semiconductor) exponenial cu distana fadelocul de injectare.

1.8. Fenomene optice n semiconductori

Dacasupra unui material semiconductor cade o radiaie electromagnetic, o

parte din aceasta este absorbit, restul fiind reflectat sau transmis. Interaciaradiaiei electromagnetice cu semiconductorul poate consta n absorbia energieifotonilor de ctre electroni, care poate avea drept consecin, atunci cnd energiafotonilor absorbii este cel puin egalcu energia de extracie, emisia n exterior aunui flux de electroni, fenomen cunoscut sub numele de efect fotoelectric extern.Dacenergia fotonilor absorbii este mai micdect energia de extracie, se poateproduce, prin mai multe mecanisme, efectul fotoelectric intern, care const ncrearea n semiconductor a unor purttori de sarcinelectric liberi n exces, faptce duce, evident, la creterea conductivitii electrice a acestuia.

Unul din mecanismele de producere a efectului fotoelectric intern estegenerarea optic intrinseca perechilor electron liber-gol, ca urmare a excitriiprin absorbia fotonilor de ctre unii din electronii din banda de valen i trecerea


30/250


29

lor n banda de conducie, concomitent cu formarea corespunztoare a unor golurin banda de valen. Acest fenomen se poate produce indiferent de tipulsemiconductorului cu condiia ca energia fotonului s fie cel puin egal curgimea benzii interzise, adichE

g, ceea ce impune pentru lungimea de und

a radiaiei electromagnetice, o valoare maxim(lungimea de undde prag):

m=gE

hc (1. 38)

Un alt mecanism de producere a efectului fotoelectric intern este cel degenerare optic extrinsec, prin excitarea electronilor din banda de valen penivelul acceptor, cu apariia corespunztoare a unor goluri n banda de valensauprin excitarea electronilor de pe nivelul donor n banda de conducie. Evident,acest mecanism se poate produce numai n semiconductorii dopai, la care exist

nivelurile energetice discrete donor i/sau acceptor.Condiia necesarproducerii fenomenului este ca energia fotonului absorbit fie cel puin egal cu energia de activare, adic h WC WD pentrugenerarea opticextrinseca electronilor de conducie, respectiv h WA WV,pentru generarea opticextrinseca golurilor. i n aceste cazuri se poate scrie orelaie asemtoare relaiei 1.38, care s exprime lungimea de und maximnecesarproducerii fenomenului.

Fenomenele descrise mai sus sunt reprezentate schematic n figura 1.12. ntabelul 1.4, sunt date valorile lungimii de undde prag pentru siliciu sau germaniu

dopat cu diferite impuriti.

TABELUL 1.4 Valoarea lungimii de undde prag pentru diferii semiconductoriimpuritate B Al Ga In Bi As P Sb Cu Zn -

m( m) semicon-ductor

Si 28 18 17 8 18 23 28 29 1,1

Ge 108 104 30 38 1,8


31/250


30

Se vede c lungimea de undde prag este mai micpentru semiconductoriipuri, dect pentru aceiai semiconductori dopai, lucru de altfel simplu de explicat.n schimb, la acetia fenomenul de generare optic nu se poate petrece dect latemperaturi sczute (~ 10 K), la temperaturi medii impuritile fiind deja ionizateprin fenomenul de generare termic.

Procesul de generare optic nu se produce n mod uniform n tot volumulsemiconductorului, acesta fiind cu att mai intens, cu ct el se produce mai aproapede suprafa.

Viteza de absorbiea fotonilor la o adncime x n semiconductor (numrulde fotoni absorbii n unitatea de timp i n unitatea de volum) este datde relaia:

A = I(x) = I0e x,

unde este coeficientul de absorbie, ce depinde de energia de activare sau dergimea benzii interzise (n funcie de mecanismul de absorbie), I(x) esteintensitatea radiaiei la adncimea x n semiconductor, iar I0 este intensitatearadiaiei la suprafaa acestuia.

Nu toi fotonii absorbii produc generarea optica unor purttori; pe de altparte, este posibil ca un singur foton sgenereze mai muli purttori. Din aceastcauz, viteza de generare a purttorilor sub aciunea radiaiei electromagneticeabsorbite este doar proporional cu viteza de absorbie: G = A, unde esterandamentul de generare (randament cuantic), definit ca numrul mediu depurttori de un anumit tip, generai prin absorbia unui singur foton. Atunci,

G(x) = I(x) = I0e x= G0e

x (1. 39)

Din relaia de mai sus, se vede c viteza de generare optic a purttorilorscade exponenial cu adncimea n semiconductor, ceea ce nseamnc procesulde generare optic este semnificativ doar ntr-un strat subire de la suprafaasemiconductorului.

Dup cum am artat anterior, fenomenul de generare este compensat defenomenul invers, de recombinare, la un flux constant al radiaiei incidentestabilindu-se un echilibru ntre cele dou fenomene (R = G), astfel nctconcentraia purttorilor n exces rmne constant (n = Rnsau p = Rp),adugndu-se celei de echilibru. Acest lucru duce la creterea conductivitii

semiconductorului:= e[n(n + n) + p(p + p)] == e(nn+ pp) + e(nn+ pp) = 0+ f (1. 40)

unde esteconductivitatea la ntunericif este fotoconductivitateasemiconductorului.

n anumite situaii, se poate produce recombinarea radiativa purttorilor,care este un fenomen invers celui de absorbie a radiaiei electromagnetice. Dacprocesul de recombinare radiativare loc lent (durata de 1 104

s), fenomenul de

emisie optic se numete fosforescen, iar dac el are loc rapid (105 108 s),

emisia opticse numete fluorescen.n fapt, este vorba de tranziia electronicde pe un nivel energetic superior, Wi, pe unul inferior, Wf,avnd ca urmare emisia


32/250


31

unui foton de energie h= Wi Wf. Mecanismele prin care poate avea loc emisiaopticsunt:- recombinarea radiativ direct, adic trecerea unui electron de conducie

direct n banda de valen i emisia unui foton;- recombinarea radiativ indirect, cnd trecerea electronului de conducie n

banda de valen nu se face direct ci prin intermediul unui nivel energeticdiscret existent n banda interzis, corespunztor unei stri locale, ceea cedeterminemisia a doi fotoni, evident cu respectarea conservrii energiei; acestcaz are ns o probabilitate de producere mult mai mic dect recombinarearadiativdirect.

- recombinarea radiativ prin alipire, care, spre deosebire de celelalte doutipuri de recombinare radiativ, se produce numai n semiconductorii extrinsecii const n captarea de ctre un ion de impuritate a unui purttor de semn

contrar i emisia unui foton.

1.9. Tehnici de obinere a semiconductor ilor intrinsecii extrinseci

a cum se va vedea n continuare, materialele semiconductoare aunumeroase aplicaii, motiv pentru care o importan deosebit o au metodele itehnicile de fabricare a acestora. n prezent se cunoate un numr foarte mare desubstane semiconductoare, care se pot clasifica n mai multe categorii:

substane simple (elemente): Si, Ge, Se, Sn etc.compui binari

- de tip III - V: GaAs, InSb, InPb- de tip II - VI: ZnO, CdS, CdSe, ZnS- de tip IV - IV: SiC- de tip II - IV: TiO2, VO2,

precum i alii, mai puin importanicompui ternari

- de tip I - IV - V: AgBiSe- de tip II - IV - V: MgGeP2

- de tip I - IV - VI: CuSi2P3- de tip IV - IV - VI: PbSnTe etc.

compui cuaternari: CuPbAsS3 soluii solide: Ge - Si, InAs - InSb, PbSe - PbTe etc.

Prima problem ce se pune n practic la fabricarea diferitelor dispozitivesemiconductoare este obinerea semiconductorului cu o puritate ct mai mare i cudefecte ale reelei ct mai reduse. Urmeaz apoi, daceste cazul, o impurificarecontrolat, pentru obinerea unui semiconductor intrinsec cu caracteristicile dorite.

Pentru aceasta, mai nti se obine un monocristal, printr-una din metodeleobinuite de cretere a cristalelor. O metod foarte des utilizat este cea decretere epitaxiala unui strat monocristalin pe un suport cu rol de germene, cnd


33/250


32

are loc transportul unor atomi din fazsolid, lichidsau gazoasla suprafaa unuimonocristal, astfel nct stratul nou depus continu structura cristalin asubstratului. Prin aceastmetod, se pot crete straturi epitaxiale de naturchimicdiferitde cea a substratului, cu condiia ca amndoustraturile saibacelai tipde reea, cu parametrul reelei foarte apropiat i cu coeficieni de dilatareaproximativ egali.

Metodele de purificare utilizate sunt metode fizice, bazate pe trecerea lentasemiconductorului din faza lichid n faza solid, cnd are loc o redistribuire aimpuritilor aflate iniial n materia prim, acestea rmnnd n cea mai mareparte n faza lichid.

Impurificarea controlat (doparea) cu impuriti donoare sau acceptoare sepoate realiza fie concomitent cu creterea cristalului, prin introducerea in contactcu materia prim semiconductoare (care trebuie s aib o puritate suficient de

mare), aflat n stare de topitur, soluie sau vapori, a unei cantiticorespunztoare de impuritate, fie prin difuzia atomilor de impuriti, aflai n starede vapori, n monocristalul solid de semiconductor (aceastmetodse folosete nmod special cnd este necesarrealizarea unor straturi multiple de semiconductorextrinsec cu tip de conducie diferit, a cror grosime trebuie controlat n modstrict).

1.10. Aplicaii directe1ale materialelor semiconductoareProprietile deosebite pe care le au semiconductorii intrinseci sau extrinseci

fac ca acetia sfie folosii n construcia unor dispozitive semiconductoare printrecare sunt i cele care vor fi descrise n continuare.Termistoruleste un dispozitiv construit dintr-o plachetde semiconductor

intrinsec sau extrinsec, a crui rezisten electric este variabil cu temperatura.Variaia rezistenei cu temperatura este datorat, evident, variaiei exponeniale aconcentraiei purttorilor i/sau variaiei liniare a mobilitii acestora cutemperatura.

Cele mai utilizate materiale pentru construirea termistorilor sunt oxizii unormetale ca Fe, Mn, Mg, Ti, Co, Cr, Ni, Cu etc.

rimea caracteristic a acestui dispozitiv este coeficientul termic alrezistenei:

=dT

dR

R

1 (1. 41)

Termistorul este folosit la msurarea temperaturii precum i pentrucompensarea scderii rezistenei rezistorilor la creterea temperaturii.

Fotorezistoruleste un dispozitiv semiconductor a crui rezistenelectricse modificsub aciunea radiaiei electromagnetice incidente. El poate fi construitdin semiconductor intrinsec sau extrinsec i funcioneazpe baza fenomenului de

1n acest paragraf ne vom referi la acele aplicaii ale semiconductorilor n care nu apar jonciuni.


34/250


33

generare optic ce duce, aa cum s-a vzut, la modificarea conductivitiimaterialului i deci a rezistenei sale.

Caracteristica esenial a unui fotorezistor este curba spectralde rspuns,R = R(), n funcie de care se stabilete domeniul de utilizare a dispozitivuluirespectiv. De asemenea, raportul 0 este o mrime caracteristic ce ne aratsensibilitateadispozitivului la aciunea radiaiei incidente.

Cele mai utilizate materiale pentru construirea de fotorezistori sunt, pentru

vizibil i ultravioletul apropiat: CdS, CdSe, Tl2S, iar pentru infrarou: PbS, PbSe,PbTe, InSb.

Aplicaia de baza fotorezistorilor este cea de convertor opto-electric.Un caz particular, este cel cnd dispozitivul este utilizat ca detector de

radiaii nucleare1, materialele semiconductoare utilizate n acest scop fiind, de

regul, Si sau Ge intrinsec.Materialele semiconductoare mai sunt utilizate i n construcia sondelor Hall(Ge, InSb, InAs, HgSe), a termocuplelor i ca materiale piezoelectrice (CdS, CdSe,ZnO, GaAs).

1.11. Aplicaii

1.11.1. Noiuni introductive pentru laboratorul de electronic

a) Mrimi fizice utilizate n electronicn descrierea funcionrii circuitelor electronice sunt utilizate de regul

rimi fizice definite n cadrul capitolului de electricitate i magnetism.Tensiunea electric reprezint diferena de potenial dintre dou puncte.

Cum potenialul este definit pn la o constant arbitrar aleas, n circuiteleelectrice se alege un potenial de referin, egal cu zero (masa circuitului) fadecare, diferitele puncte din circuit vor avea poteniale diferite, pozitive sau negative,care sunt egale cu tensiunea dintre acele puncte i masa circuitului (de aceea,uneori se spune tensiune ntr-un punct al circuitului cu sensul de tensiune dintreacel punct i mas).

Intensitatea curentului electric este mrimea fizic fundamentaldefinitconform relaiei:

dt

dQI (1. 42)

unde dQ este sarcina electricce trece printr-o seciune transversala circuitului n

intervalul de timp dt. Pentru un curent constant,t

QI adic intensitatea

curentului electric este numeric egal cu sarcina electric ce trece n unitatea detimp printr-o seciune transversal a conductorului strtut de curent. nelectronic se utilizeaz foarte mult submultiplii unitii de msur a intensitii

1Fenomenele ce se petrec n acest caz sunt mai complexe dar nu vom intra n detalii.


35/250


34

curentului electric n S.I. (amperul), n mod special miliamperul i microamperul(1mA = 103 A i 1A = 106 A).

Se mai folosete, de asemenea i o altmrime, densitatea de curent:

dSdIdtdS Qdj

2

(1. 43)

numeric egal cu intensitatea curentului ce strbate unitatea de arie a suprafeeitransversale a conductorului. Unitatea de msura acestei mrimi este:

[j]SI= 1A/m2.

Sensul convenional al curentului electric este sensul de deplsare n circuita unei sarcini electrice pozitive, sub aciunea cmpului electric imprimat de sursade t.e.m.

Curenii alternativi, variabili sinusoidal, sunt descrii de expresia analitic:s(t) = S

msin(t+) (1. 44)

unde s(t) reprezint valoarea instantanee a tensiunii sau intensitii, Sm valoareamaxim(amplitudinea), = 2pulsaia i faza iniial.

Frecvena a curentului electric alternativ, msuratn heri (Hz) poate luavalori ntr-o gamfoarte larg, de la cele joase, ale curentului alternativ din reeauade 50 Hz, pn la valori de ordinul sutelor de MHz, n cazul curenilor deradiofrecven. De altfel, conform unei mpiri nu foarte exacte, se vorbete dedomeniul de joas frecven (JF) sau audiofrecven (AF) i domeniul deradiofrecven (RF), mpit la rndul lui n subdomeniile: nalt frecven (IF),foarte nalt frecven (FIF) i ultranalt frecven (UIF). Primul dintre acestedomenii corspunde undelor radio din gama undelor lungi, medii i scurte iarcelelalte dougamei undelor radio ultrascurte.

b) Semnalentruct n circuitele electronice intervin tensiuni i cureni variabili, aceste

forme de variaie n timp a mrimilor respective se numesc n mod genericsemnale.

n practicntlnim diverse tipuri de semnale dintre care amintim:- semnle sinusoidale, descrise de expresia (3)- semnale dreptunghiulare, de forma reprezentatn figura 1.13.

Aceste impulsuri sunt definite prin durat i amplitudine. Dacimpulsurile se succed la intervale constante de timp atunci se definete i operioadde repetiie a acestora (figura 1.14). n general, se definete i factorul de


36/250


35

umplere, ca raport dintre durata Ti a unui impuls i perioada T de repetiie aimpulsurilor.

- semnale dinte-de-ferstru sunt semnale periodice (a se vedeafuncionarea osciloscopului) de forma din figura 1.14.a.

- semnale triunghiulare sunt reprezentate n figura 1.14.b.

Evident n afara acestor exemple din cele mai des ntlnite exist i alteforme de semnale, inclusiv cele cu variaie ntmpltoare, numite zgomote.c) Instrumente utilizate n electronic

Pe lnginstrumentele de msurutilizate i n laboratorul de electricitate(voltmetre, ampermetre, multimetre, ohmetre etc.), n laboratorul de electronicsunt utilizate i alte aparate i instrumente ca: voltmetrul electronic (cu impedanmare de intrare), generatorul de semnale, frecvenmetrul, osciloscopul i altele.

Aici ne vom opri asupra celui mai important aparat, osciloscopul, prinintermediul cruia se pot vizualiza diferite semnale i se pot efectua msurtori ale

unor mrimi (amplitudini, frecvene etc.).Schema bloc a unui osciloscop este datn figura 1.15.

Partea principal a osciloscopului este tubul catodic - o incint vidat,avnd n partea posterioar un tun electreonic iar n partea anterioar un ecranfluorescent. Sistemul mai dispune de dou perechi de plci deflectoare (peorizontal i pe vertical), pe care, dacse aplico tensiune, fasciculul de electronieste deviat. Tubul catodic dispune i de ali electrozi i circuite auxiliare care


37/250


36

asigur accelerarea fasciculului de electroni, focalizarea acestuia i reglareaintensitii luminoase i a poziiei pe ecran a spotului luminos produs de impactulfasciculului de electroni cu ecranul fluorescent. n lipsa tensiunii aplicate peplcuele de deflexie, pe ecran apare un punct (spot) luminos; dac pe plci seaplic o tensiune, spotul se va deplasa pe orizontal sau vertical cu o distanproporional cu mrimea tensiunii aplicate. Dac tensiunea este alternativ, peecran se obine un segment de dreapt. Pentru a vizualiza corect un astfel desemnal, acesta se aplic pe plcile de deflexie vertical, pe cele de deflexieorizontal aplicndu-se o tensiune dinte-de-ferstru cu frecvena strictsincronizat cu cea a semnalului studiat, obinut de la un generator intern(generatorul bazei de timp) sau extern. Exist i variante mai complicate deosciloscoape, cu dublu spot, cu memorie etc.

1.11.2. Elemente pasive de circuit1. Noiuni generale

Cele mai des ntlnite elemente pasive de circuit sunt rezistorul,condensatorul i bobina.

Rezistorul este caracterizat printr-o relaie de proporionalitate ntretensiunea aplicatla bornele sale i intensitatea curentului ce trece prin el (legea luiOhm: I = U/R).

Principalul parametru al unui rezistor este rezistena nominal. n practicse utilizeazrezistori cu valori ale rezistenelor standardizate. De obicei, fabricanii

adoptun ir de valori (10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43,47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91, 100) care, nmulite cu puteri ale lui 10, asigurrezistene n limitele 10 - 10 M. Prin combinarea (legare serie sau paralel)unora din aceste valori, se pot obine toate celelalte valori care lipsesc din serie.Alegerea s-a fcut innd seama de un alt principiu al rezistenelor: tolerana, careindic, n procente, precizia valorii nominale a rezistenei. Cu seria de valori datmai sus, se asigurprin fabricare o abatere de cel mult 5% de la valoarea nominalnscrispe rezistor. Dacdin serie se eliminvalorile 11, 13, 16, 20, 24, 27, 30, 36,43, 51, 62, 75 i 91 se obin valori care asiguro precizie de cel puin 10%, iar

dacse pstreaznumai valorile 10, 15, 22, 23, 47, 68, 100, aceastserie are valoriprecizate cu o eroare de maxim 20%.Se poate verifica faptul c, pentru fiecare serie, o valoare plus tolerana

respectiveste egal(aproximativ) cu valoarea imediat superioarminus tolerana.De exemplu:

56 + 5% 62 5%39 + 10% 47 10%33 + 20% 47 20%

Pentru cazuri deosebite, se construiesc i folosesc i rezistori cu toleranemai mici (2%, 1% i 0,5%).


38/250


37

Pe fiecare rezistor, fabricantul nscrie obligatoriu valoarea nominal arezistenei i tolerana. Aceasta se poate face fie n clar, fie utiliznd un cod literal,fie unul al culorilor.

Codurile literale pot fi diferite n funcie de fabricant dar cel mai desntlnit folosete simbolurile:

R - unitiK - kiloM - megaF - toleran1%G - toleran2%I - toleran5%K - toleran10%M - toleran20%

De exemplu, notaia 1R5F semnific 1,5 toleran 1%, notaia 4K7Isemnific4,7 k 5%, iar notaia 2M2K semnific2,2 M10 %

Dac litera corespunztoare toleranei lipsete, sau dac aceasta nu estenscrisn clar, ea se consider20%.

Codul culorilor utilizeaz benzi de diferite culori cu semnificaii bineprecizate (figura 1.16). Prima bandse considercea care este cea mai apropiatde unul din capetele rezistorului.

Primele doubenzi (I i II) reprezintcifre semnificative, a treia - numrulde zerouri (puterea lui 10 cu care se nmulte numrul citit pe primele doubenzi) i ultima - tolerana., conform celor prezentate n tabelul urmtor:

Culoare Cifr ToleranNEGRU 0 -

MARO 1 1 %ROU 2 2 %PORTOCALIU 3 -

GALBEN 4 -VERDE 5 -

ALBASTRU 6 -VIOLET 7 -

GRI 8 -ALB 9 -

AURIU - 5%ARGINTIU - 10%


39/250


38

Daca patra bandlipsete, tolerana este 20%.Rezistoarele sunt caracterizate i de ali parametri:

- puterea disipat(cele mai uzuale sunt de 0,5 W).- coeficientul de stabilitate cu temperaturaetc.Din punct de vedere constructiv, rezistoarele pot fi construite cu peliculde

carbon (cele mai uzuale), cu peliculmetalic i bobinate (de puteri mai mari).Condensatorulare drept principal parametru capacitatea nominal. Ca i

la rezistoare, valoarea nominal a capacitii este determinat cu o anumittoleran.

Un alt parametru este coeficientul de temperatur, care ne aratvariaiacapacitii la variaie a temperaturii conform relaiei:

C = C0(1 + T) (1. 45)De regul, coeficientul de variaie a capacitii cu temperatura, avnd

valori foarte mici, se exprimn 106grd1.i la marcarea condensatoarelor se poate utiliza nscrierea n clar sau n

codul culorilor. n acest ultim caz se folosesc cinci benzi colorate (figura 1.17).

Prima band este cea dinspre firele de conexiune i are semnificaia decoeficient de temperatur, cu valorile posibile:

VERDE: 330, VIOLET: 750, AURIU: +100 (exprimate n 10-6grd-1)Benzile 2, 3 i 4 au aceeai semnificaie ca la benzile 1, 2, 3 de la rezistori

(codul culorilor fiind acelai), citirea dnd valoarea capacitii exprimat n pF.Banda 5 exprimtolerana cu semnificaiile:

NEGRU: 20%, ALB: 10%, VERDE: 5%, PORTOCALIU: 3%, ROU: 2%,MARO: 1%.

Dacpe condensator sunt nscrise numai 3 benzi, acestea sunt benzile 2, 3

i 4, tolerana fiind 20%.Ali parametri ai condensatoarelor sunt tensiunea nominal, rezistena de

izolaie, curentul de fug.Constructiv, condensatoarele sunt realizate n mai multe moduri, n func ie

de dielectricul folosit. Astfel, ntlnim condensatori ceramici tubulari (n generalde capaciti mici, pn la 100 pF), condensatori ceramici de tip disc i plachet(10 pF 1F), condensatori cu polistiren etc. Tensiunile nominale sunt de ordinulzecilor sau sutelor de voli. O categorie aparte o constituie condensatoareleelectrolitice (pot avea capaciti mai mari, de ordinul mF) dar i gabarit mai mare.

La introducerea n circuit, este esenial respectarea polaritii condensatorului.


40/250


39

Condensatoarele cu tantal au proprieti asemtoare celor electrolitice dar au ungabarit redus.

n afarde rezistoare i condensatoare, n circuitele electronice se ntlnesci alte elemente pasive ca bobine, transformatoare i altele.

surarea rezistenelor se face prin metode descrise n cadrul laboratoruluide electricitate dintre care cele mai precise sunt cele de punte. Capacitile sesoarprin metode asemtoare, diferena fiind cpuntea trebuie alimentatncurent alternativ.

2. Scopul lucrrii; montaj experimentalLucrarea are ca scop cunoaterea diverselor tipuri de rezistoare i

condensatoare, familiarizarea cu modul de nscriere a parametrilor acestora isurarea unor rezistene i capaciti.

n acest scop se folosete o machet pe care sunt dispuse mai multe

rezistoare i condensatoare. Pentru msurarea rezistenelor i capacitilor acestorase folosete o punte R-C care, n principiu, este alctuit din patru elemente decircuit caracterizate de o anumit impedan, legate n punte. Unul dintre acesteelemente este cel a crui rezisten sau capacitate se msoar, iar altul areimpedana variabil, celelalte fiind fixe. Pe o diagonal a punii se aplic unsemnal sinusoidal furnizat de un generator, iar pe cealalt diagonal se aflelementul de nul care poate fi un ampermetru de c.a. sau, n cazul unor frecveneaudio, o casctelefonicsau un difuzor.

ntreg dispozitivul este ncorporat ntr-o carcas, panoul frontal fiind

reprezentat n figura 1.18.b, figura 1.18.a reprezentnd schema de principiu apunii R-C.

3. Modul de lucru1. Se citesc valorile nscrise n codul culorilor pe rezistoarele i condensatoarele

de pe machet. Se nscriu n tabel.2. Prin fire de legtur, se conecteaz pe rnd elementele la bornele

corespunztoare ale punii; folosind pentru nceput o sensibilitate mic, se


41/250


40

regleazbutonul scrii de msura punii pncnd semnalul nu se mai auden difuzor;

3. rind sensibilitatea, se ajusteaz poziia butonului la nivelul intensitiiminime a semnalului;

4. Se citete pe scala aparatului valoarea msurat i se nscrie n tabel;5. Se comparcu valoarea citit.6. Rezistenele se msoar din nou, cu un ohmetru. Se compar cele dou

surtori.7. Toate rezultatele se trec ntr-un tabel de forma urmtoare:

Nr. det. R ( C ) citit toleran R ( C ) msuratcu puntea cu ohmmetrul

1.

4. ntrebri1. Care sunt sursele de erori n msurtorile fcute ?2. Se poate utiliza metoda de msurare cu puntea pentru msurarea inductanei

bobinelor ? Dacda, ce modificri ar trebui aduse montajului ?3. Ce concluzii se pot trage din compararea celor dou serii de msurtori ale

rezistenelor, cu puntea i cu ohmetrul ? Care metodeste mai precis?

1.11.3. Tuburi electronice

1

1. Noiuni teoreticeA. Dioda cu vid

Dioda cu vid este un dispozitiv compus din doi electrozi dispui coaxial ntr-o incint vidat: catodul (emitorul electronic) filiform, plasat pe axa incintei ianodul (colectorul), de formcilindric. Catodul este nclzit2 la temperaturi ntre700 C i 1400 C i, ca urmare, temperatura ridicatpermite acestuia semit, pebaza fenomenului de emisie electronic, electroni (figura 1.19).

1Dei tuburile electronice nu mai sunt de mult folosite n aplicaii practice, totui fenomenele careau loc la funcionarea acestora sunt n continuare de interes, motiv pentru care a fost introdus acestparagraf.2nclzirea catodului se poate face direct, cnd catodul este un filament adus la incandescenprintrecerea unui curent electric prin el sau indirect, cnd catodul este un cilindru foarte subire, nclzitprin radiaie termicde la un filament aflat n interiorul su.


42/250


41

Fenomenul de emisie termoelectronic are loc datorit creterii energieicinetice de agitaie termica electronilor liberi din solid pe seama energiei termiceexterioare. Curentul de emisie crete cu creterea temperaturii. n vecintateasuprafeei nclzite se formeazun nor de electroni care se agithaotic. Acest gazelectronic nu se ndeprteazde suprafaa metalului deoarece electronii extrai lasn metal o sarcinpozitiv, echivalent, care i atrage.

Prin aplicarea unui cmp electric accelerator, peste o valoare critic aacestuia vor fi culei toi electronii din norul electronic, curentul de emisieatingnd valoarea de saturaie.

Richardson i Dushman au stabilit c densitatea de curent a curentului deemisie este datde:

kT

W2

0

eTAj

(1. 46)

unde W0reprezintlucrul mecanic (energia) de extracie, care este o constantcaracteristicmaterialului electronoemisiv, iar A o constantce depinde de naturai starea suprafeei catodului. Folosind schema principialdin figura 1.19, se pottrasa caracteristicile statice ale diodei (figura 1.20).

Aceste caracteristici prezinttrei zone:- zona I (zona de lansaresauzona tensiunilor negative) curentul anodic

IAeste foarte mic i se poate neglija, el fiind datorat unui numr mic deelectroni cu viteze iniiale mari, care pot nvinge cmpul electricfrnant, ajungnd la anod. n practic, se consider c acestecaracteristici pornesc chiar din origine, zona I fiind foarte greu de pusn eviden.

- zona a II-a (regiunea de sarcin spaial) este zona caracteristiciianodice unde este valabillegea 3/2:

23

AA UKI (1. 47)- zona a III-a (regiunea de saturaie). IA atinge valoarea maxim,

conform relaiei Richardson i Dushman.Pentru o diodse pot defini parametrii:


43/250


42

- rezistena internstatic(n curent continuu), R,

A

A

I

UR (1. 48)

- rezistena dinamic(n curent alternativ) Ri:

A

Ai di

duR (1. 49)

B. TriodaLa triod, n afar de catod i anod intr n componen i un al treilea

electrod - grila de comand, care este un electrod cilindric dintr-o plasmetalicrarsau un fir metalic n spiral, plasat ntre anod i catod, n imediata apropiere aacestuia din urm(figura 1.21).

Prin potenialul electric i poziia acesteia fade catod rezultprincipalul rol

al grilei: acela de comanda curentului anodic.Curentul total de emisie (curentul catodic) este

Documents

Electronica -Teorie Si Aplicatii