11.1 condução eléctrica nos semicondutores 11.2 dispositivos semicondutores capítulo 11

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11.1 Condução Eléctrica nos Semicondutores 11.2 Dispositivos Semicondutores Capítulo 11

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11.1 Condução Eléctrica nos Semicondutores11.2 Dispositivos Semicondutores

Capítulo 11

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11.2 Condução de Eléctrica nos Semicondutores

O electrão salta da banda de valência para a banda de condução por agitação térmica (T > 0 K)

No semicondutor a banda de valência está cheia e a banda de condução vazia

Eg é o “gap” (hiato) Banda de energia proibida

A Física de Semicondutores tem contribuído actualmente para importantes desenvolvimentos tecnológicos

T= 0K

A actual revolução computacional é um exemplo disso

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• Nos metais - electrões de condução = número de electrões de valência

28Cobre 109n 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

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Semicondutor Intrínseco

Electrões

Lacunas

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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

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

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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

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P(E)

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Dopando os semicondutores aumentamos a sua condutividade

Dopar é adicionar uma pequena quantidade de outro material ao semicondutor

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

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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

Os electrões em excesso

Semicondutor extrínseco do tipo n

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

A carga total no cristal é zero

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O facto dos electrões dopantes passarem facilmente para a banda de condução

Nível de energia dador, ED

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Semicondutor extrínseco do tipo pDopando 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

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

A carga total no cristal é zero

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Nível de energia dador, EA

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A envoltória (linha contínua vermelha) encontra-se variando lentamente em espaço e tempo. A velocidade da envoltória chama-se velocidade de grupo.

Velocidade de grupo

A velocidade de grupo é a velocidade dos pacotes de ondas

pacotes de ondas

Massa Efectiva do Electrão e Massa Efectiva da Lacuna no Cristal

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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

A velocidade de uma onda é fv

Como f 22

k

podemos obter uma outra expressão para a velocidade da onda: k

v

.

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:

dkdvg

como dkd

dkdvg

1

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Este electrão é acelerado por esse campo e derivando a velocidade de grupo em relação ao tempo obtemos

dtdkdkd

dtdvg

2

21

como F

dtdk

obtemos que a força externa, que é a força devido ao campo eléctrico:

adkddt

dvdkd

F 22

2

22

2

// e como amF e *

Definimos a massa efectiva do electrão no cristal como sendo o inverso do termo que multiplica a aceleração:

2

2

2

1*1

dkd

me

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 momento linear do electrão no cristal é chamado de momento linear cristalino

dthdk

dtdpF

onde k

é o vector de ondakp

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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

*em

No caso dos electrões na rede cristalina teremos

em

Para uma estrutura de banda isotrópica

me é a massa de um electrão livre

me é a massa de um electrão no cristal

*2

22

mkEkE c

Nesse caso a estrutura da banda

é uma simples parábola

em *2

2

mp

onde kp

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Banda de valência e banda de condução

Materiais com Bandgap directo: GaAs, InP - opticamente activos (semicondutores directos)

Bandagap indirectoBandagap directo

Eg

Materiais com Bandgap indirecto: Si, Ge - interage fracamente com a luz e por isso não são eficientes em dispositivos ópticos (semicondutores indirectos)

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Comportamento da energia em função do vector de onda k

Limite da 1ª zona de Brilloin

O “gap” (ou hiato) surge da descontinuidade da função parabólica do electrão livre

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Estruturas de diagramas de bandas reais de semicondutores clássicos

Bandas de

Condução

Bandas de

Valência

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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

11.2 Dispositivos semicondutores

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

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.

Prémio Nobel de Física de 1956)

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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

Na prática obtemos uma junção pn dopando um mesmo material com impurezas doadoras de um lado e impurezas aceitadoras do outro

A junção tem a propriedade de um rectificador electrónico, isto é, faz com que um fluxo de corrente eléctrica tome somente uma direcção

Supomos um semicondutor do tipo n e outro do tipo p

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Juntamos os dois semicondutores

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Electrões

Lacunas

Si (grupo IV – valência 4)

As (grupo V – valência 5)Si (grupo IV – valência 4)

Ga (grupo 3 – valência 3)

A diferença das concentrações de electrões e lacunas gera um processo de difusão na junção dos dois tipos de semicondutores

• 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

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Electrões

Lacunas

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A diferença de potencial é devido somente a presença de iões na região de depleção

Não existe nenhuma tensão aplicada

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

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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

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• 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

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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)

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Polarização directa

V= V0 - Vb é menos negativo (sentidos opostos)

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

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Curva característica para o díodoA 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

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VIP

ou

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Símbolo

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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

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Dentro do díodo emissor de luz

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Diodos de emissão de luz orgânicos

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

(OLEDs)

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.

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A K

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Transistor de junção bipolar

Símbolo

O emissor emite lacunas que atravessam a base e chegam ao colector

O emissor emite electrões que atravessam a base e chegam ao colector

As setas indicam o sentido convencional da corrente (a mesma das lacunas)

O emissor é mais dopado que o colector e a base