Física dos Semicondutores

Física dos Semicondutores
Prof. Dr. Daniel Flores Cortez 25 de Fevereiro de 2016

Objetivo da Aula Conhecer as características gerais dos materiais semicondutores, compreender a condução de corrente usando a teoria de elétrons e lacunas, conhecer os materiais do tipo n e p.

Conteúdo Programático
Modelo Atômico de Bohr; Ligação covalente; Estrutura cristalina; Semicondutores intrínsecos e extrínsecos. Mostrar rapidamente quais assuntos serão abordados.

Construção de Conhecimento esperado
Adquirir conhecimentos sobre as características fundamentais dos semicondutores aplicados a construção de dispositivos eletrônicos. Ressaltar qual habilidade se pretende desenvolver e onde utiliza-la.

Física dos semicondutores
Classificação dos materiais Condutores: material capaz de sustentar um fluxo de cargas elétrica quando submetido a uma diferença de potencial; Isolante: material capaz de oferecer resistência ao fluxo de cargas elétrica quando submetido a uma diferença de potencial; Ressaltar qual habilidade se pretende desenvolver e onde utiliza-la. Semicondutor: material que possui nível de condutividade entre os extremos de um isolante.

Estrutura Atômica Modelo Atômico de Bohr Elétrons orbitam o núcleo;
Órbitas bem definidas.

Pode ceder facilmente este.
Estrutura Atômica Distinção atômica entre condutores e semicondutores Átomo de cobre A camada mais importante para condução é a última camada (chamada de camada de Valencia). O cobre é um bom condutor pode ele Pode ceder facilmente este. +29 A camada mais importante para condução é a última camada (chamada de camada de Valencia). O cobre é um bom condutor pode ele Pode ceder facilmente este. Mat. condutores possuem de 1 a 3 elétrons na camada de Valencia (Ex: cobre, prata, alumínio);

Estrutura Atômica Distinção atômica entre condutores e semicondutores
Átomo de cobre Átomo de Silício +29 +14 Mat. condutores possuem de 1 a 3 elétrons na camada de Valencia (Ex: cobre, prata, alumínio); Mat. semicondutores possuem de 4 elétrons na camada de Valencia (Ex: silício, germânio, carbono) (Átomos tetravalentes);

Estrutura Atômica Distinção atômica de isolantes
Átomo de Argônio (gás nobre) +18 Mat. isolates possuem de 5 a 8 elétrons na camada de Valencia (Ex: borracha, vidro, mica);

Estrutura Atômica Átomo de Silício Átomo de Germânio +14 +32

Estrutura Atômica Si Ge Átomo de Silício Átomo de Germânio
Representados somente pela última camada

Semicondutor intrínseco
Cristal de silício puro Si Os átomos tente a se juntar a outro tipos de átomos a fim de alcançarem a estabilidade, ou seja, eles se agruparam até conseguir oito elétrons na última camada. Para formar uma estrutura estável é necessário ter 8 elétrons na última camada

Cristal de silício Si Si Si Si O que acontece quando juntamos átomos de silício? Si

Cristal de silício Si Si Si Si Si Ocorre o compartilhamento de elétrons (ligações covalentes) para formar 8 elétrons na última camada

Cristal de silício Si Si Si Si Si Nessa condição o cristal passa a ser um mau condutor a temperatura ambiente e isolante em baixas temperaturas

Cristal de silício puro Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Estrutura cristalina do Si à temperatura de 0 ºK (–273 ºC)

com o aumento da temperatura, a energia térmica fornecida ao cristal provoca a “quebra” algumas ligações covalentes, liberando, assim, elétrons livre. Os espaços vazios deixados por causa de tais rompimentos se comportam como cargas elétricas positivas, denominadas lacunas ou buracos Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Agitação térmica Lacuna Elétron livre O número de elétrons livres é igual ao número de lacunas

Movimento relativo de lacunas (Recombinação) + - Si Si Si Si Si Si Elétron livre Placa carregada Placa carregada Campo elétrico

Movimento relativo de lacunas + - Si Si Si Si Si Si Elétron livre Placa carregada Placa carregada Campo elétrico

Movimento relativo de lacunas + - Si Si Si Si Si Si Elétron livre Placa carregada Placa carregada Campo elétrico Elétrons e lacunas movem em sentidos opostos

Semicondutor Extrínseco
Em condições normais o cristal de silício é um isolante com pouca utilidade elétrica. Si Si Si A fim de alterar as características elétricas são adicionas impurezas no cristal. Esse processo é chamado de dopagem Si Si Si Si Si Si

Material do tipo N Si Si Si São adicionados átomos pentavalentes (cinco elétrons na última camada). Ex: Arsênio, Antimônio e Fósforo Si Si Si Si Si Si P

Material do tipo N Si São adicionados átomos pentavalentes (cinco elétrons na última camada). Ex: Arsênio, Antimônio e Fósforo Si Si Elétron livre Si P Si Si Si Si Si

Material do tipo N Si São adicionados átomos pentavalentes (cinco elétrons na última camada). Ex: Arsênio, Antimônio e Fósforo Si Si Elétron livre Si P Si Si O importante dessa situação é que não foi gerada nenhuma lacuna Si Si Si

Material do tipo N Si Si Si Si Si Elétron livre Elétron livre Si P Si Si P Si P Si lacuna* Si Si Si Si Si Os elétrons livres são chamados de portadores majoritários; As lacunas são chamadas de portadores minoritários. * Gerada por agitação térmica

* Gerada por agitação térmica

Material do tipo P São adicionados átomos trivalentes (três elétrons na última camada). Ex: Boro, Alumínio Si Si Si Si Si Si Si Si Si B

Material do tipo P São adicionados átomos trivalentes (três elétrons na última camada). Ex: Boro, Alumínio Si Si Si Lacuna Si B Si Si Si Si Si

Material do tipo P Si Si Si Si Si Lacuna Lacuna Lacuna Si B Si Si B Si B Si Elétron livre* Lacuna Si Si Si Si Si Os lacunas são chamados de portadores majoritários; As elétrons livres são chamadas de portadores minoritários. * Gerado por agitação térmica

Formação da junção PN As lacunas no material tipo P serão representadas pelo sinal +. Os elétrons livres serão representados pelo sinal - Os elétrons livres no material tipo N serão representadas pelo sinal -. As lacunas serão representadas pelo sinal + _ Tipo P + Tipo N - +

Formação da junção PN Material tipo P Material tipo N Portadores minoritários Portadores minoritários _ + + - _ + + - - + + - + - + - + + + - _ + + - _ + - Portadores majoritários Portadores majoritários O que acontece quando os dois materiais são unidos?

Formação da junção PN Material tipo P Material tipo N _ + - + - _ + + - + + - - + + - - + + + + - + - _ + _ + - + - As lacunas nas bordas do material tipo P tendem a serem preenchidas pelos elétrons livres da material tipo N

Formação da junção PN Si B P Material tipo P Material tipo N _ + - - _ + + - + - - + + - - + + + - + - _ + _ + - + - As lacunas nas bordas do material tipo P tendem a serem preenchidas pelos elétrons livres da material tipo N

Formação da junção PN Processo de recombinação Si Si Material tipo P Material tipo N B Si P Si + - - + + - + - Si - Si + + - - + + + - - + - + - Consequência: forma-se uma região estável (isolante, 8 elétrons na última camada) na junção.

0,7 V - Si Camada de depleção 0,3 V - Ge _ + - + - _ + + + + - - + + - - - + + + + - + - _ + _ + - + - A junção PN é chamada de diodo, componente fundamental da eletrônica O processo de deslocamento das cargas é chamado de DIFISÃO

Polarização do diodo Polarização reversa Camada de depleção Tipo P
Tipo N _ + - + - _ + + + + - - + - + + - - - + + + + - + - _ + _ - + - + + E

Tipo N _ + - + - _ + + + + - - + - + + - - - + + + + - + - _ + _ - + - + - + E

Tipo N + + - _ + - + - _ + + - + + - - + + _ + - - _ + + - + - + + - - E is - + Suje uma pequena corrente devido ao fluxo de portadores minoritário, chamado de corrente reversa ou saturação (is), ordem de nA a uA.

Polarização do diodo Polarização direta Camada de depleção Tipo P
Tipo N + + - - + - + - - + - + + - - + + - - + + + - - E<0,7V + - Os portadores majoritários não possuem energia suficiente para atravessar a camada de depleção

Polarização do diodo Polarização direta Camada de depleção + + - - _ +
id>0 E>0,7V + - Os portadores majoritários adquirem energia suficiente para atravessar a camada de depleção, permitindo o fluxo de corrente

Recapitulando.... A corrente circula facilmente num diodo de silício com polarização direta. Em outras palavras, se a fonte de tensão for maior que 0,7 V (Si),um diodo de silício produz uma corrente incessante no sentido direto. A corrente reversa total num diodo consiste de uma corrente de portadores minoritários (muito pequena e que depende da temperatura). Em muitas aplicações, a corrente reversa num diodo de silício é aproximadamente zero; Portanto, o diodo somente permite (idealmente) o fluxo de corrente em apenas um sentido.

Símbolo do diodo Anodo Catodo P K Anodo Catodo
Ânion: átomo que recebe elétrons e fica carregado negativamente Cátion: átomo que perde elétrons e adquire carga positiva

Símbolo do diodo Anodo Catodo P K Anodo Catodo

Referências Utilizadas
BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson education do Brasil, 2013. Pinto, L. F. Teixeira; Albuquerque R. O. Eletrônica: Eletrônica analógica. São Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011, Vol. 2. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Makron, c v. Callister Jr., William D.; Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução. 5ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2002.

Obrigado pela Atenção. Prof. Dr
Obrigado pela Atenção! Prof. Dr. Daniel Flores Cortez Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – DAELT – (41) Av. Sete de Setembro, Bloco D – Rebouças - CEP Curitiba - PR - Brasil

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