Materiais Semicondutores

3Semicondutores

Semicondutores (4A)

4tomos de germnio e silcio ISOLADOS

GERMNIO

SILICO

Nmeroatmico 32

Nmeroatmico 14

5Isolantes, Semicondutores e Metais

Um conductor muito pobre de eletricidade chamada de isolante. Um excelente condutor de eletricidade um metal. Um material cuja condutividade se situa entre esses dois extremos chamado de isolante.

O que so?

A resposta dada pela Teoria de Bandas dos Slidos. Inicia-se com um tomo isolado e depois parte-se para um aglomerado de tomos interagindo

entre si (formando um slido). Essa interao resulta na alterao dos nveis de energia ocupados pelos eltrons do slido,

sendo esses novos nveis responsveis por seu comportamento do ponto de vista dacondutividade. Esses novos nveis formam o que chamamos de Bandas de Energia.

So as energias dessas bandas, bem como a maneira que os eltrons as preenchem quedeterminam se um slido considerado um isolante, um semicondutor ou um metal.

Mas como dizer em qual dessas classes um slido se situa?

6Isolantes, Semicondutores e Metais

tomo Isolado

7Isolantes, Semicondutores e Metais

A maioria dos slidos consistem em umarranjo ordenado especial de tomos,molculas ou ons. Tal arranjo chamadode Cristal.

Quando tomos formam cristais o nveisde energia dos eltrons mais internos dotomo (tudo menos a ltima camada) noso apreciavelmente afetados pelapresena de tomos vizinhos.

J os nveis de energia dos tomospertencentes a ltima camada (camada devalncia) so consideravelmente alterados,desde que eles so compartilhados porum ou mais tomos no cristal.

Esses novos nveis de energia formadosdeterminam o comportamento doeltrico do slido.

Aproximando diversos tomos

8Isolantes, Semicondutores e Metais

Formao das Bandas: Exemplos do Si e Ge

Os novos nveis de energia dos eltrons de valncia podem ser determinados pela MecnicaQuntica. Esta deteremina que o acoplamento entre os eltrons de valncia dos diversostomos no cristal resultam em faixas de nveis de energia (Bandas de Energia) comespaamento muito pequeno entre eles.

Quando os tomosinteragem entre si demaneira no desprezvel,esses formam um sistemaeletrnico complexo quedeve obedecer o Princpioda Excluso de Pauli a e oprincpio de Aufbau.

9Isolantes, Semicondutores e Metais

As bandas de energia

A ltima banda de maior energia em um slido que se encontracompletamente cheia (pelo menos a T = 0 K) chamada de Bandade Valncia (BV).

A prxima banda de maior energia a Banda de Conduo (BC). A BC pode ser vazia ou parcialmente preenchida. A diferena de energia entre o nvel mais baixo de energia da BC e o

nvel mais alto de energia da BV chamado de Banda Proibida (ouBand Gap).

O que utilizamos para classificar os slidos como Isolantes,Semicondutores ou Metais so as energias relativas dessas bandas,bem como a maneira que os eltrons as preenchem.

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Isolantes, Semicondutores e Metais

Banda de Conduo Vazia (T=0K)

Se aplicarmos um campo eltrico nesse slido, os eltrons na BV no podem participarde transporte (sem corrente), pois esto ligados ao tomo.

Para os eltrons adiquirem energia cintica, segundo a Mecnica Quntica, eles tm queassumir uma energia levemente maior, ou seja, subir para o estado qunticopermitido imediatamente superior (o qual deve estar disponvel, ou seja, vazio, semeltrons). Contudo, conforme a figura abaixo, no existe tal estado na BV: somente naBC.

Esse slido secomportacomo um

ISOLANTE!

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Isolantes, Semicondutores e Metais

Banda de Conduo Parcialmente Preenchida (T=0K)

Se um campo eltrico aplicado a este slido, os eltrons na BC participam dotransporte, uma vez que h uma abundncia de estados permitidos vazios comenergias logo acima da energia de Fermi.

Esse slido secomportacomo umMETAL!

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Isolantes, Semicondutores e Metais

Sobreposico das BV e BC (T=0K)

Muitas vezes, as bandas de energia mais elevadas tornam-se to largas que elas sesobrepem com as bandas de energia mais baixas

Nveis eletrnicos de energia adicionais tmbm esto disponveis

Esse slidotambm secomportacomo umMETAL!

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Isolantes, Semicondutores e Metais

E o comportamento semicondutor?

H uma diferena qualitativa entre metais e isolantes (semicondutores): a banda deenergia mais alta contendo eltrons apenas parcialmente preenchida no caso dosmetais (as vezes devido sobreposio)

J a diferena entre isolantes e semicondutores quantitativa: a diferena namagnitude da energia do Band Gap

Semicondutores so "Isolantes" com um gap relativamente pequeno. Ou seja, emtemperaturas suficientemente elevadas eltrons podem ser encontrados BC e, porconseguinte, participarem no transporte de carga

ISOLANTE SEMICONDUTOR

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Isolantes, Semicondutores e Metais

Semicondutores em Baixas e Altas temperaturas

No h diferena entre isolantes e semicondutores em temperaturas muito baixas. Emnenhum dos materiais existem eltrons na banda de conduo - e assim condutividadedesaparece no limite de baixa temperatura

As diferenas surgem nas altas temperaturas. Uma pequena frao dos eltrons excitado termicamente na banda de conduo. Estes eltrons carregam corrente, assimcomo em metais.

ISOLANTE SEMICONDUTOR SEMICONDUTOR

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Estrutura cristalina dos semicondutores (T=0K)

Estrutura Cristalina do Ge ilustradasimbolicamente em duas dimenses (0K)

Estrutura Cristalina do Si ou Ge em 3D

Um cristal que contm apenas tomos de silcio chamado de semicondutor intrnseco (puro).Video semicondutor intrinseco

Os quatro eltrons formam ligaes covalentes perfeitas com quatro tomos vizinhos, criando umaboa e estvel estrutura cristalina.

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Rompimento de Ligaes Covalentes e Recombinao

0K Temperatura Ambiente

Aquecimento

Mecanismo pelo qualuma lacuna contribuipara a condutividade

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Semicondutor tipo N Na dopagem tipo N, o tomo

introduzido na rede cristalina possui 5eltrons na camada de valncia. Nestecaso, 4 eltrons formam ligaescovalentes com tomos desemicondutor vizinhos e o quintoeltron fica livre para circular nomaterial. Os materiais mais utilizadoscomo dopante tipo N so oFsforo (P), o Antimnio (Sb) e oArsnio. Estes tomos so chamadosde impurezas doadoras, pois elesdoam um eltron livre para omaterial.

Em um semicondutor do tipo N oseltrons so os chamados portadoresmajoritrios e as lacunas sochamadas de portadores minoritrios.

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Semicondutor tipo P Na dopagem tipo P, o tomo

introduzido na rede cristalina possui 3eltrons na camada de valncia. Nestecaso, no h nmero suficiente deeltrons para completar as 4 ligaescovalentes com os tomos desemicondutores. Assim, uma dasligaes fica incompleta, criando umalacuna na rede cristalina. Os materiaismais utilizados como dopante tipo P o Boro(B), o Glio (Ga) e o ndio.Estes tomos so chamados deimpurezas aceitadoras, pois elesrecebem um eltron livre do material.

Em um semicondutor do tipo P aslacunas so os chamadas portadoresmajoritrios e os eltrons sochamados de portadores minoritrios.

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Essa lacuna representa umacarga positiva na rede cristalinae pode receber um eltron queesteja formando uma ligaocovalente, mudando a lacuna deposio.

Esse movimento das lacunas no material semicondutor pode resultar numa corrente eltrica.

Movimento das lacunas no Semicondutor tipo P

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Novamente, no semicondutor tipo N os eltrons so chamados de portadores majoritrios e aslacunas de portadores minoritrios. Quando a impureza doadora no semicondutor tipo N libera oseu quinto eltron, ela torna-se um on positivo na estrutura do material, pois ele perdeu um eltronde sua rbita de valncia. Observe que este on no portador de carga, ou seja, ele no contribuipara a conduo da corrente eltrica no material.

Portadores no Silcio tipo N

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Portadores no Silcio tipo P

Novamente, no semicondutor tipo P as lacunas so chamadas de portadores majoritrios e oseltrons de portadores minoritrios. Quando a impureza aceitadora no semicondutor tipo P recebeum eltron da rede cristalina, ela torna-se um on negativo na estrutura do material, pois ela tem umeltron a mais na sua rbita de valncia.

Curiosidade: Video fabricao lmina silcio

Juno PN: Diodo

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Juno PN sem tenso de polarizaoUm diodo formado pela juno de um semicondutor tipo P com um semicondutor do tipo N. Olado P chamado de anodo e o lado N chamado de catodo. Quando estes dois materiais sounidos, os eltrons e as lacunas prximos juno se recombinam, ou seja, um anula a carga dooutro, criando uma regio de depleo (sem portadores de carga) prxima juno.

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Smbolo do Diodo de juno PN

Quando o diodo noestiver polarizado, ou seja,quando no houver umatenso aplicada no diodo,no h fluxo deportadores atravs dajuno. Portanto, no hcorrente passando pelodiodo.

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Diodo reversamente polarizado

A pequena quantidade de eltrons do lado P (portadores minoritrios) e a pequena quantidade delacunas do lado N (portadores minoritrios) so repelidos pelo potencial negativo e positivo aplicadonas regies P e N respectivamente. O movimento destes portadores cruzando a juno resulta nacorrente de portadores minoritrios.

Lacunas do lado P so atradaspara o potencial negativo da fontese afastando da juno e oseltrons do lados N do diodo soatrados pelo potencial positivo dafonte, tambm se afastando dajuno. O movimento dosportadores majoritrios nosentido contrrio da juno,portanto no h fluxo deportadores majoritrios atravs dajuno.

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Diodo diretamente polarizadoQuando uma tenso positiva aplicada no anodo (lado P) e uma tenso negativa no catodo (lado N)do diodo, ele fica diretamente polarizado.

As lacunas do lado P so repelidas pelopotencial positivo da fonte e os eltronsda regio N so repelidos pelo potencialnegativo da fonte. O movimento dosportadores majoritrios no sentido dajuno. Num primeiro instante, o fluxode portadores majoritrios no sentido dajuno PN reduz a largura da regio dedepleo, at que ela fique estreita osuficiente para que os portadores cruzema juno estabelecendo um correnteeltrica entre os terminais do diodo e afonte de tenso.

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Curva caracterstica do diodo ideal

O diodo no conduz corrente eltrica quando est reversamente polarizado e conduz quando estiverdiretamente polarizado. Idealmente, o diodo se comporta como um circuito aberto quando estiverreversamente polarizado e como um curto circuito quando estiver diretamente polarizado.

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VF0,7V

Curva caracterstica do diodo ideal

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Regio de Ruptura do diodo

BV

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Curva caracterstica de diodos: Germnio vs Silcio

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Aproximaes do diodo

avDF rIV 7,0

1212

IIVV

rAV

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VF=0,7 e rav=0.

Aproximaes do diodo

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Diodo ideal: VF=0 e rav=0.

Aproximaes do diodo

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Folha de dadosde um diodoBAY73

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Tipos de encapsulamento do diodo