aula 08 - semicondutores

Prof. Sandro R. Zang – Sala 116-2Departamento das Engenharias de Telecomunicações e Mecatrônica (DETEM)

Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ) Campus Alto Paraopeba - Ouro Branco/MG

Disciplina: Materiais Elétricos e

Magnéticos.

Introdução

2Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Introdução

3Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Introdução

4Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Introdução

5Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Condução Elétrica: Resultado do movimentode portadores de carga (elétrons) dentro domaterial;

A facilidade ou dificuldade de conduçãoelétrica de um material está associada aoconceito de níveis de energia.

Nos materiais sólidos, níveis de energiadiscretos dão origem as bandas de energia.

É o espaçamento relativo dessas bandas quedetermina a magnitude da condutividade.

Introdução

6Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Condutores: metais que possuem grande valor decondutividade.

Isolantes: Cerâmicas, vidros e polímeros, possuempequenos valores de condutividade.

Semicondutores: possuem valores intermediáriosde condutividade.

Banda de condução completa ou

parcialmente cheia ou superposta

Banda de valência completa

Banda de condução vazia

Banda de valência completa

Banda de condução vazia

Banda de valência completa

> 4 eV~ 4 eV

Condutores Semicondutores Isolantes

Semicondutores

7Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutores: possuem valores intermediáriosde condutividade (σ).

Semicondutores

8Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

9Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutor Silício (Si):

sólido com ligações

covalentes e com estrutura

cúbica semelhante ao do

carbono .

A diferença é que o Si

possui espaçamento entre

as bandas menor (Eg=1,107

eV, em comparação com ~

6 eV do carbono!

Semicondutor Intrínseco

10Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutor Silício (Si):

O resultado é que, na

temp. ambiente (298K) a

energia térmica promove

um número significante de

elétrons da banda de

valência para a banda de

condução.

Cada promoção de elétron

cria um par de portadores

de carga (par elétron-

buraco)

Semicondutor Intrínseco

11Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutor Silício (Si):

Consequentemente,

buracos são produzidos na

banda de valência em igual

número de elétrons na

banda de condução.

Esses buracos são

portadores de carga

positiva!

Semicondutor Intrínseco

12Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutor Silício (Si):

Com número moderado de

portadores de carga

positiva e negativa o Si

apresenta uma

condutividade elétrica

moderada, intermediário

entre os metais e os

isolantes.

Semicondutor Intrínseco

13Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutores (σ): A densidade de elétrons éigual à densidade de lacunas.

μeMobilidade dos elétrons.

μhMobilidade dos buracos.

Sn (estanho)

e hnq (Ω-1.m -1)

Semicondutor Intrínseco

14Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Temperatura

condutividade (σ)

Temperatura

condutividade (σ)

Si

Semicondutor Intrínseco

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Semicondutor Intrínseco

Aumenta T :

estende a função de

Fermi,

aumenta a

sobreposição das

“caudas” da curva

logo, tem-se mais

portadores de carga;

Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

16

Semicondutor Intrínseco

A dependência da

condutividade com a

temperatura segue

um mecanismo de

ativação térmica;

A densidade de

portadores aumenta

exponencialmente

com a temperatura:

2

gE

kTn e

Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutores

17Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Condutores (Relembrando...)

18Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

ρ0 Resistividade do material

puro;

x quantidade de impureza

β constante para o sistema

impureza-metal (inclinação

da reta);

0 1 x

Temperatura fixa de 20ºC

Cobre com impurezas

Resistividade (ρ) com o de impurezas ( ≈ Linear):

Adição de impurezas (dopagem) no material puro;

Tipo N = quando portadores de cargas negativas

predominam;

Tipo P = quando portadores de cargas positivas

predominam;

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Semicondutor Extrínseco

Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutor intrínseco é dopado com

elementos da família 5ª Fósforo (5 elétrons de

valência);

Isso afeta a estrutura da banda de energia.

4 elétrons de valência do fósforo são necessários

para a ligação com 4 elétrons do Silício.

O elétron extra é relativamente instável e produz

um nível doador (Ed) perto da banda de

condução.20

Semicondutor Extrínseco

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Semicondutor Extrínseco

A barreira de energia para formar um elétron de

condução (Eg – Ed) é consideravelmente menor

que no material intrínseco (puro) - Eg.

Desloca para cima

Os elétrons de condução fornecidos pelos

átomos da família 5A são os portadores de carga

mais numerosos, logo:

n – número de elétrons devido aos átomos dopantes

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enq

Semicondutor Extrínseco

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μeMobilidade dos elétrons.

Semicondutor intrínseco é dopado com elementos dafamília 3ª Alumínio / Boro (3 elétrons devalência);

Isso afeta a estrutura da banda de energia.

3 elétrons de valência deixam o Alumínio / borocom 1 elétron a menos que o necessário para aligação com os 4 elétrons do Silício.

O resultado é o surgimento de um nível receptor (Ea)perto da banda de valência.

Um elétron de valência do silício pode facilmente serpromovido para esse nível receptor (Ea) gerando umburaco.

23

Semicondutor Extrínseco

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Semicondutor Extrínseco

Desloca para baixo

A barreira de energia para formar um portador

de carga (Ea) é consideravelmente menor que

no material intrínseco (puro) - Eg.

Os buracos (lacunas) são os portadores de carga

mais numerosos, logo:

n – densidade dos buracos

25

hnq

Semicondutor Extrínseco

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μhMobilidade dos buracos.

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Semicondutor Extrínseco

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Semicondutor Extrínseco

27Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Exemplo: Em um Silício tipo N dopado com fósforo, o

nível de Fermi (EF) é deslocado para cima em 0,1 eV. Qual

a probabilidade de um elétron ser promovido termicamente

para a banda de condução no silício (Eg = 1,107 eV) na

temperatura ambiente (25º C).

Semicondutor Extrínseco

28Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Exemplo: Em um Silício tipo N dopado com fósforo, o

nível de Fermi (EF) é deslocado para cima em 0,1 eV. Qual

a probabilidade de um elétron ser promovido termicamente

para a banda de condução no silício (Eg = 1,107 eV) na

temperatura ambiente (25º C).

É bem maior que a do Si puro (4,39x10-10).

6/ 0,4535/(86,2 10 298)

8

1,1070,1 0,4535

2

1 1

1 1

2,2 10

F

F

E E kT

E E eV

f Ee e

f E

Semicondutores

29Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Elementos que geralmente se parecem com

elementos do grupo 4 A;

Eletronicamente esses compostos se agrupam

nas características da família 4A;

compostos III-V: têm composições MX, com

M sendo um elemento de valência 3+ e X sendo

um elemento de valência 5+; A média de 4+ se

iguala à valência do grupo IV A.

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Semicondutores Compostos

Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Compostos II-VI: combinam um

elemento de valência 2+ com um

elemento de valência 6+.

Uma boa regra para os compostos

semicondutores é ter uma média de 4

elétrons de valência por átomo.

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Semicondutores Compostos

Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Os semicondutores Compostos III-V e Compostos II-VI

puros são intrínsecos e podem se tornar extrínsecos

através de dopagem;

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Semicondutores Compostos

Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Os semicondutores Compostos III-V e Compostos II-VI

puros são intrínsecos e podem se tornar extrínsecos

através de dopagem;

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Semicondutores Compostos

Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutores

34Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutores não cristalinos;

Tecnologia em desvantagem em relação aos

cristalinos (menos desenvolvida);

Entretanto, são bastante utilizado no mercado

fotovoltaico (células solares), relógios solares,

Processo de fabricação mais barato, eficiência

mais baixa;

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Semicondutores Amorfos

Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

Semicondutores

36Materiais Elétricos e Magnéticos – Prof. Sandro R. Zang

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Dispositivos Semicondutores

Circuitos miniaturizados são

resultados da combinação

criativa de materiais do tipo N e

P.

junção P-N.

b) Polaridade reversa:

idealmente, não tem corrente,

apenas uma corrente mínima

devido a portadores de carga

intrínsecos.

c) Polaridade direta: elétrons

preenchem as lacunas

continuamente corrente.

38

Dispositivos Semicondutores

Circuitos miniaturizados são

resultados da combinação

criativa de materiais do tipo N e

P.

junção P-N.

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Dispositivos Semicondutores

junção P-N-P (BJT – Trans. Junção Bipolar).

• Se a região de base for estreita (1μm largura) o suficiente, um

grande número de buracos passará pela junção 2;

• Uma vez no coletor, os buracos se movem livremente, como

portadores majoritários de cargas;

• Como resultado, a corrente no coletor é uma função

exponencial de Ve:

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Dispositivos Semicondutores

– fonte de corrente é os elétrons.

• – Transistor de Efeito Campo!

• Funciona com a aplicação de uma tensão negativa na Porta, que

gera um campo no Canal-p de material N.

• Esse campo atrai buracos para esse Canal-p, torne-se condutor;

• Fazendo com que o material Tipo N (canal-p) se comporte com

Tipo P, pelo efeito campo, tornando o dispositivo condutor.

SiO2Sílica Vítria(Isolante)

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Dispositivos Semicondutores

A frequência de operação está limitada pela mobilidade

eletrônica dos materiais (μe).

Diminuir a largura da Porta Canal-p (Canal-n)

mínimo atual é de 0,1μm.

Ou usar materiais com mobilidade eletrônica (μe) maior

Ex: GaAs alto custo e tecnologia de processo mais

difícil

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Dispositivos Semicondutores

Wafer de Silício: milhares de chips

Aplicação de padrões precisos de

dopagem difusíveis do tipo N e P,

permite produzir diversos

elementos (transistores, diodos,

etc)

dentro de um único chip de silício

monocristalino.

Substituição das antigas

válvulas!!!