Semicondutores Capítulo 11 11.1 Condução Eléctrica nos Semicondutores 11.2 Dispositivos Semicondutores

11.2 Condução de Eléctrica nos Semicondutores A Física de Semicondutores tem contribuído actualmente para importantes desenvolvimentos tecnológicos A actual revolução computacional é um exemplo disso No semicondutor a banda de valência está cheia e a banda de condução vazia T= 0K Eg é o “gap” (hiato) Banda de energia proibida O electrão salta da banda de valência para a banda de condução por agitação térmica (T > 0 K)

Nos metais - electrões de condução = número de electrões de valência electrões / m3 Nos semicondutores os portadores de carga surgem unicamente por agitação térmica Quando os electrões saltam da banda de valência para a banda de condução geram espaços (orbitais) vazios na banda de valência: as lacunas Uma banda cheia de electrões é electricamente neutra. Removendo-se um electrão da banda cheia, é equivalente ao aparecimento de uma carga positiva

Semicondutor Intrínseco Electrões Lacunas

As lacunas se comportam como uma carga positiva Não existe como partícula mas sob a acção de campos eléctricos e magnéticos se comporta como tal Um campo eléctrico aplicado à um semicondutor produz condução eléctrica devido ao movimento dos electrões na banda de condução e das lacunas na banda de valência

Ao encontrar uma lacuna vizinha, um outro electrão tende a deixar sua posição para ocupar a lacuna. Ele então salta para a lacuna, deixando seu lugar livre Ocorrendo esse movimento sucessivamente, verifica-se a ocorrência de corrente eléctrica Por convenção, estabeleceu-se que a condução eléctrica se dá, na verdade, pela movimentação das lacunas Esse movimento das lacunas também ocorre nos materiais condutores (metais) mas, como existem muitos electrões livres naqueles materiais, o movimento das lacunas é desprezível Num semicondutor, porém, vimos que, para cada electrão que se liberta, há uma lacuna correspondente. Portanto, o movimento das lacunas é muito importante

P(E)

Tal como o diamante, o silício têm quatro ligações covalentes Dopar é adicionar uma pequena quantidade de outro material ao semicondutor Dopando os semicondutores aumentamos a sua condutividade Supomos um semicondutor intrínseco (sem impurezas), como por exemplo o silício (Si) O Si tem quatro electrões na banda de valência (onde caberia até oito electrões) Tal como o diamante, o silício têm quatro ligações covalentes

Semicondutor extrínseco do tipo n Dopando o silício com o arsénio (As) alguns átomos de Si (grupo IV – valência 4) serão substituídos por átomos de As que é um elemento do grupo V (valência 5) Como o As tem um electrão a mais, ficamos com electrões extras no cristal A carga total no cristal é zero Os electrões em excesso ficam num nível entre a banda de condução e a banda de valência e próximo da banda de condução. Estão fracamente ligados ao nível “dador” e por isso passam facilmente para a banda de condução

O facto dos electrões dopantes passarem facilmente para a banda de condução Nível de energia dador, ED

Semicondutor extrínseco do tipo p Dopando o silício com gálio (Ga) alguns átomos de Si (grupo IV – valência 4) serão substituídos por átomos de Ga que é um elemento do grupo 3 (valência 3) Como o Ga tem um electrão a menos, haverá lacunas a mais no cristal A carga total no cristal é zero Os electrões em falta O electrão em falta é o mesmo que uma lacuna extra, com um nível de energia dos aceitadores entre a banda de condução e a banda de valência e próximo da banda de valência. Os electrões saem facilmente da banda de valência

Nível de energia dador, EA

Massa Efectiva do Electrão e Massa Efectiva da Lacuna no Cristal Velocidade de grupo A envoltória (linha contínua vermelha) encontra-se variando lentamente em espaço e tempo. A velocidade da envoltória chama-se velocidade de grupo. pacotes de ondas A velocidade de grupo é a velocidade dos pacotes de ondas

A velocidade de uma onda é Como podemos obter uma outra expressão para a velocidade da onda: De acordo com a Mecânica Quântica o electrão (ou qualquer outra partícula) é de uma onda que tem uma forma parecida com essa que é vista na figura abaixo . As ondas de De Broglie (pacote de ondas) dos electrões submetidos a forças externas devido, por exemplo ao campo eléctrico aplicado, movem-se com uma velocidade de grupo: como

obtemos que a força externa, que é a força devido ao campo eléctrico: O momento linear do electrão no cristal é chamado de momento linear cristalino onde é o vector de onda Este electrão é acelerado por esse campo e derivando a velocidade de grupo em relação ao tempo obtemos como obtemos que a força externa, que é a força devido ao campo eléctrico: e como Definimos a massa efectiva do electrão no cristal como sendo o inverso do termo que multiplica a aceleração: Significa que no cristal, o electrão responderá a forças externas como se tivesse massa me* A massa efectiva pode ser positiva ou negativa As lacunas também têm massa efectiva: mh*

O conceito de massa efectiva é útil de variadas maneiras E é válido também para os metais Por exemplo, a teoria clássica prevê que os electrões de um material que são submetidos a um campo eléctrico têm a resistividade eléctrica me é a massa de um electrão livre No caso dos electrões na rede cristalina teremos me é a massa de um electrão no cristal Para uma estrutura de banda isotrópica Nesse caso a estrutura da banda é uma simples parábola em onde

Banda de valência e banda de condução Bandagap directo Eg Bandagap indirecto Materiais com Bandgap directo: GaAs, InP - opticamente activos (semicondutores directos) Materiais com Bandgap indirecto: Si, Ge - interage fracamente com a luz e por isso não são eficientes em dispositivos ópticos (semicondutores indirectos)

Comportamento da energia em função do vector de onda k O “gap” (ou hiato) surge da descontinuidade da função parabólica do electrão livre Limite da 1ª zona de Brilloin

Estruturas de diagramas de bandas reais de semicondutores clássicos Bandas de Condução Bandas de Valência

11.2 Dispositivos semicondutores A descoberta dos transístores e dos dispositivos semicondutores teve um grande impacto tecnológico para a sociedade últimos tempos Após a invenção do transístor em Dezembro 1947 por John Bardeen, Walter Brattain e Willian Shockley pequenos dispositivos semicondutores substituíam as inconvenientes válvulas electrónicas Um único chip de silício pode conter até centenas de componentes electrónicos na forma de um único circuito integrado Actualmente existem chips de memória com 50 milhões de transístores num centímetro quadrado Prémio Nobel de Física de 1956) Vamos estudar alguns dispositivos semicondutores importantes como: junçao p-n, díodos, díodos zener, díodo emissor de luz , díodo emissor de luz orgánico, fotodíodo e transistor.

Supomos um semicondutor do tipo n e outro do tipo p Junção p-n O princípio de funcionamento de dispositivos electrónicos, como díodos rectificadores e transístores, baseiam-se no comportamento de junções entre semicondutores tipo p e tipo n, denominadas de junção p-n A junção tem a propriedade de um rectificador electrónico, isto é, faz com que um fluxo de corrente eléctrica tome somente uma direcção Na prática obtemos uma junção pn dopando um mesmo material com impurezas doadoras de um lado e impurezas aceitadoras do outro Supomos um semicondutor do tipo n e outro do tipo p

Juntamos os dois semicondutores

A diferença das concentrações de electrões e lacunas gera um processo de difusão na junção dos dois tipos de semicondutores Electrões Lacunas Si (grupo IV – valência 4) Si (grupo IV – valência 4) As (grupo V – valência 5) Ga (grupo 3 – valência 3) O movimento de portadores maioritários: as lacunas vão do lado p para o lado n. Os electrões vão do lado n para o lado p O movimento de portadores minoritários: lacunas vão do lado n para o lado p. Os electrões do lado p para o lado n No equilíbrio os electrões do material tipo-n preenchem as lacunas do material tipo-p nas proximidades da junção, formando uma dupla camada de cargas fixas, de iões de átomos dadores e aceitadores chamada de zona de depleção, e não há mais portadores de carga nesta região

Lacunas Electrões

A região (ou zona) de depleção age como uma barreira (resistência alta) impedindo a continuação da difusão dos electrões. É estabelecida uma diferença de potencial Vo (potencial de contacto) através da junção A diferença de potencial é devido somente a presença de iões na região de depleção Não existe nenhuma tensão aplicada

Ligamos os terminais da junção à uma fonte e formamos um díodo O díodo é um componente electrónico fundamental e que tem como característica mais importante, permitir que a corrente eléctrica circule apenas num sentido A representação esquemática do díodo Transforma tensão alternada em tensão contínua

A junção está no estado de equilíbrio dinâmico Polarização zero (zero bias) – nenhuma tensão é aplicada na junção Polarização inversa (reverse bias) – é aplicada uma tensão de modo a aumentar a resistência da junção (aumenta a região de depleção). Polarização directa (forward bias) – é aplicada uma tensão de modo a diminuir a resistência da junção (diminui a região de depleção) Polarização zero A junção está no estado de equilíbrio dinâmico As duas correntes directa e inversa são iguais e de sentido contrário

Polarização inversa Praticamente a corrente não flui Somente uma pequena corrente da ordem do microampère, “leakage current”(corrente de fuga), flui através da junção Para um aumento suficientemente grande da tensão poderá haver o efeito de avalanche – a corrente aumenta significativamente. V= V0 + Vb é mais negativo (ambos de mesmo sentido)

V= V0 - Vb é menos negativo (sentidos opostos) Polarização directa V=0.3V para díodos de Ge e cerca de V=0.6V para díodos de Si O díodo pode conduzir uma corrente “infinita” Normalmente coloca-se uma resistência em série com o dispositivo para limitar o fluxo da corrente V= V0 - Vb é menos negativo (sentidos opostos)

Curva característica para o díodo A curva característica de um díodo é um gráfico que relaciona cada valor da tensão aplicada (Vext) com a respectiva corrente eléctrica que atravessa o díodo Díodo Rectificador

Curva característica de um díodo

ou

Símbolo

O electrão no fundo da banda de condução cai na lacuna do topo da banda de valência: processo de recombinação electrão-lacuna Energia libertada = Eg

Dentro do díodo emissor de luz

Diodos de emissão de luz orgânicos (OLEDs) É um dispositivo semicondutor de estado sólido com espessura de 100 a 500 nanómetros e aproximadamente 200 vezes menor que um fio de cabelo humano Os OLEDs podem fornecer ecrãs mais nítidos e brilhantes em dispositivos electrónicos e usam menos energia do que os LEDs convencionais ou ecrãs de cristal líquido (LCDs) usados actualmente.

A K

Transistor de junção bipolar O emissor emite lacunas que atravessam a base e chegam ao colector O emissor emite electrões que atravessam a base e chegam ao colector Símbolo As setas indicam o sentido convencional da corrente (a mesma das lacunas) O emissor é mais dopado que o colector e a base