Física dos Semicondutores

Apresentação em tema: "Física dos Semicondutores"— Transcrição da apresentação:

1 Física dos Semicondutores
Prof. Dr. Daniel Flores Cortez 06 de Fevereiro de 2017

2 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.

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

4 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.

5 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.

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

7 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 pois 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);

8 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);

9 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);

10 Estrutura Atômica

11 Estrutura Atômica Semicondutores mais empregados em Eletrônica
Átomo de Silício Átomo de Germânio +14 +32

12 Estrutura Atômica Si Ge Semicondutores mais empregados em Eletrônica
Átomo de Silício Átomo de Germânio Si Ge Representados somente pela última camada

13 Semicondutor intrínseco
É aquele encontrado na natureza na sua forma mais pura 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

14 Semicondutor intrínseco
Cristal de silício Si Si Si Si O que acontece quando juntamos átomos de silício? Si

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

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

17 Semicondutor intrínseco
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

18 Semicondutor intrínseco
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)

19 Semicondutor intrínseco
com o aumento da temperatura, a energia térmica fornecida ao cristal provoca a “quebra” algumas ligações covalentes, liberando, assim, elétrons livres. 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

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

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

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

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

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

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

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

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

28 Semicondutor intrínseco
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

29 Semicondutor intrínseco

30 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

31 Semicondutor Extrínseco
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

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

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

34 Material tipo N quando T=0K
Si Si Si Si Si Si P Si Si P Si P Si Si Si Si Si Si O átomo de fósforo está eletricamente neutro nºprotons =nºeletrons Com o aumento da energia os elétrons são liberados da camada de valencia, ficando livres.

35 O átomo de fósforo possui mais prótons do que neutros (caga positiva)
Material do tipo N Si Si Si Si Si Elétrons livre Elétron livre Si P+ Si Si P+ Si P+ Si lacuna* Si Si Si Si Si O átomo de fósforo possui mais prótons do que neutros (caga positiva) Quando um átomo cede um elétron ele fica carregado positivamente. Ele é chamado de Íon positivo. * Gerada por agitação térmica

36 Semicondutor Extrínseco

37 Semicondutor Extrínseco
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

38 Semicondutor Extrínseco
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

39 Material tipo P quando T=0K
Si Si Si Si Si Lacuna Lacuna Lacuna Si B Si Si B Si B Si Si Si Si Si Si O átomo de boro está eletricamente neutro nºprotons=nºeletrons Com o aumento da energia os elétrons são liberados da camada de valencia, ficando livres.

40 Material do tipo P Si Si Si Si Lacuna Si Lacuna Lacuna Si B- Si Si B- Si B- Si Elétron livre* Lacuna* Si Si Si Si Si Quando um átomo recebe um elétron ele fica carregado negativo. Ele é chamado de Íon negativo. * Gerado por agitação térmica

41 Material do tipo P Si Si Si Si Lacuna Si Lacuna Lacuna Si B- Si Si B- Si B- Si Elétron livre* Lacuna* Si Si Si Si Si Quando um átomo recebe um elétron ele fica carregado negativo. Ele é chamado de Íon negativo. * Gerado por agitação térmica

42 Semicondutor Extrínseco
Material do tipo P

43 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

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

45 Formação da junção PN Material tipo N Material tipo P - - - -
Si Si Material tipo N Material tipo P B- Si P+ Si - - Si - Si - É produzida uma diferença de potencial devido a ionização dos átomos na junção.

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

47 Formação do Diodo 0,7 V - Si 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

48 Junção PN Material N Material P Si Si B- Si P+ Si Si Si B- Si P+ Si Si

49 + - Junção PN Material N Material P Polarização direta Si Si B- Si P+

50 + - Junção PN Material N Material P Polarização direta Si Si B- Si P+

51 + - Junção PN Material N Material P Polarização direta <0,7V Si Si
B- Si P+ Si + - Si Si B- Si P+ Si Si Si Polarização direta <0,7V

52 + - Junção PN Material N Material P Polarização direta ~0,7V Si Si B-

53 + - Junção PN Material N Material P Polarização direta ~0,7V Si Si Si
B B- P+ Si P Si Si Polarização direta ~0,7V

54 + - Junção PN Material N Material P Polarização direta ~0,7V Si Si Si
B B- B P+ Si P P Si Si Polarização direta ~0,7V

55 + - Junção PN Material N Material P Polarização direta ~0,7V Si Si Si
B- B Si P+ P Si Si Polarização direta ~0,7V

56 + - Junção PN Material N Material P Polarização direta ~0,7V Si Si Si
B B- B Si P P P+ Si Si Polarização direta ~0,7V

57 - + Junção PN Material N Material P Polarização Reversa Si Si B- Si P+

58 - + Junção PN Material N Material P Polarização Reversa Si Si B- Si P+

59 Polarização do diodo Polarização reversa - + E
Suje uma pequena corrente devido ao fluxo de portadores minoritário, chamado de corrente reversa ou saturação (is), ordem de nA a uA.

60 Polarização do diodo Polarização reversa - + E
Suje uma pequena corrente devido ao fluxo de portadores minoritário, chamado de corrente reversa ou saturação (is), ordem de nA a uA.

61 Polarização do diodo Polarização direta + - + - E<0,7
Os portadores majoritários ainda não possuem energia suficiente para atravessar a camada de depleção, não permitindo o fluxo de corrente

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

63 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.

64 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

65 Símbolo do diodo

66 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. Thomas L. Floyd, ELECTRONIC DEVICES, 9ed

67 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