Materiale utilizate in sisteme I. T

4.8. FUNCÞIA DE CONVERSIE MAGNETOELECTRICÃ

Materialele semiconductoare cu funcþie de conversie magnetoclectricã îºi datoreazã funcþionarea interacþiunii dintre câmpul electric E ºi câmpul magnetic H în interiorul unui material, avînd ca rezultat dependenþa conducþiei electrice de intensitatea câmpului magnetic. Aceastã interacþie se manifestã prin douã fenomene principale: efectul Hall ºi efectul magnetorezistiv.

Efectul Hall constã în deformarea liniilor de câmp ale densitãþii curentului ºi ale intensitãþii câmpului electric într-un material semiconductor parcurs de curent ºi plasat transversal într-un câmp magnetic, având ca rezultat stabilirea unor diferenþe de potenþial între puncte ale materialului care sunt echipotenþiale în lipsa câmpului magnetic.

Se considerã materialul semiconductor din figura 4.28 strãbãtut de un curent de densitate J1 datoratã câmpului electric E1, cãruia i se aplicã un câmp magnetic H3 perpendicular pe E1; sub acþiunea câmpului magnetic traiectoriile purtãtorilor mobili de sarcinã se curbeazã în sensul forþei Lorenz, FL:

µ § 4.67

unde q ºi v sunt sarcina ºi viteza purtãtorilor. Apare astfel o tendinþã de acumulare a purtãtorilor spre suprafaþa S1 care se încarcã pozitiv sau negativ faþã de suprafaþa S2, în funcþie de semnul sarcinii purtãtorilor. Aglomerarea

purtãtorilor determinã apariþia unui câmp electric (numit câmp Hall), EH, care tinde sã elimine aceastã acumulare; procesul de încãrcare a suprafeþelor laterale înceteazã cînd forþa Lorenz este echilibratã de forþa câmpului EH. Valoarea câmpului EH corespunzãtoare regimului staþionar este proporþionalã cu intensitatea câmpului magnetic ºi densitatea de curent:

µ § 4.68

unde constanta de proporþionalitate RH se numeºte constanta Hall ºi este un parametru caracteristic al materialului semiconductor.

4.9. FUNCÞIA DE CONVERSIE MECANO-ELECTRICÃ

Materialele semiconductoare cu funcþie de conversie mecano-electricã îºi bazeazã funcþionarea pe interacþia dintre câmpul mecanic ºi câmpul electric în interiorul materialului la nivelul atomilor ºi purtãtorilor mobili de sarcinã, concretizatã în douã fenomene: interacþie prin potenþialul de deformaþie ºi interacþie prin efect piezoelectric.

Interacþia datoritã potenþialului de deformaþie existã în toate materialele semiconductoare, fiind o consecinþã a dependenþei energiei electronului de conducþie din BC de distorsionarea reþelei cristaline. Acest efect liniar poate fi exprimat prin proporþionalitatea dintre potenþialul de deformaþie Ud ºi defor-marea eladticã relativã S:

µ § 4.83
umde ád este o constantã caracteristicã materialului.
Dacã deformaþia are o variaþie sinusoidalã în timp:

µ § 4.84

apare un câmp electric Ed determinat de deformaþia S:

µ § 4.85

defazat cu ð/2 în urma deformaþiei S.

Interacþia prin efect piezoelectric existã în materialele semiconductoare a cãror structurã cristalinã nu posedã centru de simetrie; în acest caz o deformaþie constantã sau variabilã în timp produce o polarizaþie ºi un câmp electric

(par. 1.11), fenomenul fiind descris de sistemul de ecuaþii (1.76 ºi 1.77). Spre deosebire de potenþialul de deformaþie, câmpul electric produs într-un material semiconductor de o deformaþie S nu depinde de frecvenþã: efectul piezoelectric apare începînd de la frecvenþa nulã, în timp ce Ud apare la frecvenþe ridicate, astfel încât cele douã fenomene devin comparabile la frecvenþe de ordinul 100 GHz.

Pentru ca un material semiconductor sã îndeplineascã funcþia de conversie mecano-electricã, este necesar sã aibã urmãtoarele caracteristici:

coeficienþi piezoelectrici de valori mari;

coeficientul de cuplaj electromecanic de valoare mare;

pierderi electrice prin conducþie mici (rezistivitate mare);

viteza de propagare a undelor elastice micã ;

constante de atenuare a undelor elastice de volum ºi suprafaþã mici;

mobilitatea de valoare mare (vitezã de drift mare la câmpuri mici).

Tabelul 4.19 prezintã principalele caracteristici ale materialelor semicon­ductoare cu funcþie de conversie mecano-electricã (coeficienþii piezoelectrici eij, permitivitatea dielectricã absolutã la deformaþie constantã µ §, coeficientul de cuplaj piezoelectric kp, viteza de propagare a undei elastice vf, impedanþa elasticã caracteristicã Z0 ºi coeficientul de atenuare a undei elastice áa).

Materialele cu funcþie de conversie mecano-electricã utilizeazã atât undã elasticã longitudinalã cât ºi transversalã; în general, modurile de vibraþie transversale sunt mai avantajoase în CdS ºi ZnO oferind amplificãri mari cu disipare de putere minimã posibilã.

In majoritatea cristalelor semiconductoare, pierderile de energie elasticã cresc aproximativ cu pãtratul frecvenþei în domeniul frecvenþelor mai mari de 100 MHz: cînd sunt mari, pierderile limiteazã funcþionarea ca amplificator de undã elasticã, micºorînd coeficientul global de amplificare.

Arseniura de Ga are un coeficient de cuplaj piezoelectric fearte mic, iar disiparea puterii creºte foarte rapid peste 100 MHz, frecvenþã la care CdS, CdSe ºi ZnO sunt foarte bune.

Seleniura de Cd are un coeficient de cuplaj moderat, fiind utilizatã cu succes în amplificarea undelor elastice de frecvenþã coborîtã; sulfura de Cd este preferatã la ora actualã deoarece pot fi obþinute relativ uºor cristale de calitate mai bunã ºi pentru cã are un coeficient piezoelectric de cuplaj mai mare decât CdS. Atenuarea undei elastice creºte atât de puternic la creºterea frecvenþei în domeniul 1 ¡ª 5 GHz, încât deplaseazã maximul coeficientului de amplificare la frecvenþe mai coborîte (sub 0,5 GHz).

Oxidul de Zn are un coeficient de cuplaj piezoelectric mult mai mare dar este disponibil în cantitãþi limitate; în toate aplicaþiile ZnO este cel mai avantajos, cu excepþia funcþionãrii la frecvenþe coborîte (sub 100 MHz), limita superioarã a frecvenþei de lucru fiind GHz.

Pentru realizarea peliculelor piezoelectrice semiconductoare de grosimi de ordinul micrometrilor se utilizeazã în principal douã tehnologii: depunerea în vid ºi pulverizarea catodicã.

BIBLIOGRAFIE

T. M. Catuneanu sa. Materiale pentru electronica Ed.Didactica si pedagogica-Buc 1982.

2. Catuneanu, V. M,, I a nc u O. 0 r ã g u 1 i n e s c u, M. Materiale ºi componente electronice. Bucureºti, Editura didacticã ºi pedagogicã, 1972.

3. lancu, O. Materiale si componente electronice. Bucureºti, Institutul Poli­
tehnic, 1976.

4.Ifrim, A., Noþingher , P. Materiale electrotehnice. Bucureºti, Ed.didacticã ºi pedagogica, 1979.