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Fundamentos de Electrónica Semicondutores. Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE 2003 2 Metais Os metais possuem uma estrutura química tal que os electrões.

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1 Fundamentos de Electrónica Semicondutores

2 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Metais Os metais possuem uma estrutura química tal que os electrões de valência não estão associados a um determinado átomo. Pelo contrário estes circulam por todo o metal. Os electrões de valência dos metais são designados de electrões livres e são os responsáveis pela corrente eléctrica.

3 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Semicondutores Os materiais semicondutores tais como o Germânio e o Silício são cristais com quatro electrões de valência por átomo. Estes associam-se a átomos vizinhos através de ligações covalentes em que existe uma partilha de electrões entre os átomos. Daqui resulta uma orbital de oito electrões, o que corresponde a um sistema bastante estável.

4 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Estrutura de um cristal semicondutor +4 Electrões de valência Núcleo dos átomos de Silício Ligações covalentes Átomo de Silício com quatro electrões de valência

5 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Portadores de corrente Os electrões de valência partilhados nas ligações covalentes forte ligação ao núcleo Á temperatura ambiente libertam-se electrões das ligações e originam electrões livres. Para cada electrão livre deve existir uma falha na ligação covalente: lacuna ou buraco

6 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Formação de pares electrão lacuna +4 Ligações covalentes Electrão livre Lacuna ou buraco Temperatura ambiente

7 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Portadores de corrente Electrões livres Cargas negativas responsáveis pela geração de corrente Lacunas Falhas nas ligações covalente que são equivalentes a cargas positivas. O deslocamento de electrões de forma a ocupar a lacuna é equivalente à deslocação da lacuna no sentido inverso. São igualmente responsáveis pela geração de corrente

8 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Resistência Resistência á temperatura ambiente: < metais >> isolantes Um cubo de Sílicio com um centímetro de lado apresenta uma resistividade de 230k.

9 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Deslocamento de lacunas +4 Deslocamento de lacunas Deslocamento de electrões Campo eléctrico A existência de uma ligação covalente incompleta torna fácil o deslocamento de um electrão de uma ligação para outra. Tal provoca o movimento das lacunas no sentido contrário, ou seja como, Cargas positivas

10 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Ionização e recombinação Á temperatura ambiente são produzidas pares electrões lacunas, devido as colisões entre átomos: ionização Quando um electrão livre se encontra com uma lacuna, este preenche a lacuna, eliminando-se mutuamente: recombinação

11 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Densidade de portadores Dos fenómenos de ionização e recombinação resulta que a uma dada temperatura a concentração de electrões livres e de lacunas é dada por.. Num cristal de silício (intrínseco) puro temos

12 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Mecanismos de formação de corrente Metais Deriva Semicondutores Deriva Movimentação dos electrões livres e das lacunas sobe acção de um campo eléctrico Difusão Movimentação dos electrões livres e das lacunas devido a variação de concentração destes. Produz uma deslocação das cargas da zona de maior concentração para a zona de menor concentração.

13 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Corrente de difusão p x Concentração de lacunas Corrente de difusão Densidade de corrente Carga do electrão Constante de difusão Densidade de corrente de difusão de lacunas: Densidade de corrente de difusão de electrões livres: Notar que (relação de Einstein):

14 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Corrente de deriva Deslocamento de portadores sobe acção de um campo eléctrico Lacunas electrões Velocidade de deslocamento das partículas Mobilidade (dos electrões) Campo eléctrico Densidade de corrente de deriva Daqui resulta:

15 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Semicondutores Dopados Introdução de impurezas nos semicondutores altera as suas características eléctricas de forma a que um dos portadores se torna maioritário. Tipo n - introdução de impurezas dadoras que fornecem electrões, nomeadamente com cinco electrões de valência. Tipo p – introdução de impurezas receptoras com défice de electrões, nomeadamente com três electrões de valência.

16 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Semicondutores Dopados Semicondutor tipo-n Impurezas com 5 electrões de valência Semicondutor tipo-p Impurezas com 3 electrões de valência Electrão livre Impureza dadora lacuna Impureza aceitadora

17 Semicondutores, Paulo Lopes, ISCTE Densidade de portadores em semicondutores dopados Tipo – n O número de electrões livres é aproximadamente igual ao número de átomos de impurezas introduzidas. Tipo - p O número de lacunas é aproximadamente igual ao número de átomos de impurezas introduzidas. Sabe-se que, donde


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