Semicondutores Classificação de Materiais Definida em relação à condutividade elétrica Materiais condutores Facilita o fluxo de carga elétrica Materiais isolantes Dificulta o fluxo de carga elétrica

Semicondutores Resistividade (r) Oposição ao fluxo de carga elétrica. Condutor (Cobre): r  10-6 .cm Isolante (Mica): r  10+12 .cm

Semicondutores Materiais semicondutores Resistividade típica: Silício (Si): r  50  10+3 .cm Germânio (Ge): r  50 .cm Nível de condutividade intermediária entre isolantes e condutores.

Semicondutores Dos estudos de química... Última camada: Camada de valência Átomos com 4 elétrons nesta camada são chamados átomos tetravalentes (carbono, silício e germânio).

Semicondutores Estrutura atômica Cristalina chamados tetravalentes Elétrons livres – sensíveis à ddp aplicada Existe aproximadamente: 1,5  10+10 elétrons livres em 1 cm3 (Si Intrínseco) 2,5  10+13 elétrons livres em 1 cm3 (Ge Intrínseco)

Semicondutores Temperatura, Luz e Impurezas As propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas.

Semicondutores

Semicondutores Portadores de Carga Maus condutores no estado intrínseco Temperatura >> Elétrons livres >> Resistência << Coeficiente de temperatura negativo!

Níveis de Energia Energia necessária para conduzir: Banda de condução isolante semicondutor condutor Banda proibida Banda de Valência Elétrons livres Lacunas condução

Materiais Extrínsecos Dopagem do Tipo P e N Aplicação de impurezas (cuidadosamente) para controlar a condutividade do material a partir de fontes elétricas, térmicas ou luminosas. Formar Material do Tipo N Impureza pentavalente: Fósforo, Arsênio e Antimônio Formar Material Tipo P Impureza trivalente: Boro, Alumínio e Gálio

Material Tipo N Introduz um elétron “livre” Material continua neutro: nº protons núcleo = nº elétrons órbita

Material Tipo P Introduz uma “lacuna” Material continua neutro: nº protons núcleo = nº elétrons órbita

Efeito na Banda de Energia Material Tipo N Dopagem 1 parte em 10 milhões Elétron inserido necessita de menos energia para se tornar condutor Portadores Majoritários Elétrons (-) no Material Tipo N Portadores Minoritários Lacunas (+) no Material Tipo P

Diodo Estruturalmente temos: Material P  íons receptores + “lacunas” livres Material N  íons doadores + elétrons livres Material p Material n - + - + + - + - + - - + + - - + - + - + + - + - + - + - - + - + - + + - - + - + - + + - + - + -

Diodo A Junção do material do tipo P com o material do tipo N produz o Diodo. Material p Material n - + - + + - + - + - - + + - - + - + - + + - + - + - + - - + - + - + + - - + - + - + + - + - + -

Diodo Próximo à junção, os elétrons livres do material do tipo N migram para as “lacunas” livres do material do tipo P (atração elétrica). Material p Material n - + + - + - + - - + + - - + - + - + + + - - + - + - - + - - + - + + + - - + - + + - + - + - - +

Diodo Forma-se então uma zona de depleção onde há apenas íons negativos e positivos fixados pela estrutura cristalina. Material p Material n - + + - + - - + + - - + - + - + + - + - + - - + - - + - + + + - - + - + + - + - - +

Diodo Forma-se um campo elétrico que impede esse movimento O tamanho da zona de depleção depende: Do material intrínseco (Si, Ge) Da quantidade de impurezas Tipo N Tipo P E

Diodo Aplicando uma tensão (polarização reversa) Elétrons são atraídos para potencial positivo “Lacunas” são atraídas para potencial negativo Material p Material n - + + - + - - + + - - + - + - + + - + - + - - + - - + - + + + - - + - + + - + - - +

Diodo Aumento da zona de depleção, impedindo elétrons livre alcançarem “lacunas” livres através dessa zona. Presença de corrente reversa (saturação) – Is Devido a impurezas – minoritárias – dos materiais. Material p Material n - + + - + - - + - + - + - + + - + - + - + - + - - - + + + - - + - + - + - + - + - + Is

Diodo Aplicando uma tensão (polarização direta) Elétrons são afastados pelo potencial negativo “Lacunas” são afastados pelo potencial positivo Material p Material n - + + - + - - + + - - + - + - + + - + - + - - + - - + - + + + - - + - + + - + - - +

Diodo Redução da zona de depleção, facilitando elétrons livre alcançarem “lacunas” livres através dessa zona. Pouca energia para que elétrons e “lacunas” livres cruzem a junção (corrente Imajoritários) Material p Material n - + - + + - + - + - - + + - - + - + - + + - + - + - + - - + - + - + + - - + - + - + + - + - + - Imajoritários Is

Diodo Note que existe uma tensão mínima aplicada pela bateria/fonte que consegue “zerar” a zona de depleção (potencial de junção). Silício  Vjunção = 0,7 V Germânio  Vjunção = 0,3 V Quando polarizado diretamente o diodo conduzirá corrente quando a tensão direta aplicada for maior que o potencial de junção. Vdireta > Vjunção.

Referências Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos Boylestad & Nashelsky Notas de Aula – Disciplina Eletrônica Prof. Marcelo de Oliveira Rosa – UTFPR – Curitiba Diodos Semicondutores Alexandre S. Lujan – Semikron Semicondutores Ltda.