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Aula 19 – Condução de Eletricidade nos Sólidos

Física 4Ref. Halliday – Volume4

Profa. Keli F. Seidel

SumárioSemicondutores;

Semicondutores Dopados;

O Diodo Retificador;


Níveis de Energia em um Sólido Cristalino… relembrando ...


Vamos analisar a rede cristalina do cobre (sólido)

Consideramos uma rede cristalina de N átomos, cada nível de energia do átomo isolado do cobre se desdobra em N níveis;

Esse desdobramento dos níveis de energia nas redes cristalinas é que formam as bandas de energia separadas por bandas proibidas (níveis de energia que nenhum elétron pode acessar/ocupar);

Uma banda de energia possui apenas alguns eV de largura;

Num sólido temos N~1024, assim os níveis no interior de uma banda são muito próximos e a banda pode ser considerada praticamente contínua;

Níveis de Energia em um Sólido Cristalino… relembrando ...


Formação de bandas de energia

https://www.eecis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/memorias.html

Relembrando ... Isolantes


De modo geral, dizemos que um material é isolante se aplicarmos uma diferença de potencial e este não produz uma corrente elétrica (ou seja, que a energia cinética dos elétrons não aumente);

Eg = gap de energia

Metais


A diferença do metal em relação ao isolante é que o nível de energia mais alto ocupado pelos elétrons está no meio de uma banda de energia permitida!!!

Semicondutores


Bandas de energia de um semicondutor

Comparação:Diamante Eg 5,5 eVSilício Eg 1,1 eV

Semicondutores


Os portadores de carga do Silício existem apenas porque, em temperaturas maiores que zero absoluto, a agitação térmica faz com que alguns elétrons da banda de valência (muito poucos) adquiram energia suficiente para passar para a banda de condução, deixando o número igual de estados desocupados, chamados buracos ou lacunas, na banda de valência.

Semicondutores


Elétrons de condução e lacunas/buracos (falta de elétrons) da banda de valência são considerados portadores de carga;

Os buracos permitem o movimento dos elétrons;

Se aplicarmos um campo elétrico os elétrons movem-se na direção oposta ao campo elétrico, enquanto, os buracos movem-se na mesma direção;

Buracos “comportam-se” como (+e)

Como eles se movimentam???

Semicondutores


Caracterização elétrica do semicondutor

Resistividade, onde: n=número de portadores;

= tempo médio entre colisões dos portadores;

“n” é mais relevante que as outras grandezas (Si > cobre)

o aumento de temperatura faz com que aumente a colisão de portadores com os íons da rede cristalina. Em metais a resistividade aumenta com a temperatura porque as colisões

dos portadores de carga com os átomos da rede são mais frequentes a temperatura elevada/ na prática isso diminui a corrente elétrica.

Em semicondutores, o aumento de temperatura faz aumentar a concentração de portadores de carga (e- e buracos)/ na prática isso aumenta a corrente elétrica.

Semicondutores Dopados





Semicondutor dopado tipo n:

Átomo de Silício (14e-)

4e- da banda de valência / nível n=3



Como é feita da dopagem do semicondutor???

Substitui um pequeno número de átomos na rede do semicondutor por “impurezas” (Ex. A cada ~107 átomos de Si é substituído por um dopante).

Que tipo de átomo???

Semicondutores Dopados tipo n


Neste caso:Átomo de fósforo (valência =5)

4e- do fósforo forma ligações covalentes com 4e- do Si;O 5º e- não forma nenhum ligação e fica fracamente ligado ao núcleo do fósforo;

Em um diagrama de níveis de energia, este elétron a mais ocupa um nível de energia (Ed) situado entre as bandas de valência e

condução, a uma pequena distância Ed da banda de condução



Ed << Eg, a energia necessária para transferir o elétron de Ed para a banda de condução é muito menor do que de EV para EC;

Átomo de fósforo (valência =5)



Átomo de fósforo (valência =5)

Semicondutores dopados com átomos doadores são chamados de semicondutores tipo n;

Nos semicondutores tipo n os elétrons são os portadores em maioria (portadores majoritários) e os buracos são os portadores em minoria (portadores minoritários);

Outros exemplos de átomos doadores: arsênio, bismuto.

Semicondutores Dopados tipo p


Neste caso: Átomo de Alumínio (Valência =3)

3e- do alumínio forma ligações covalentes com 3e- do Si;Existe uma lacuna (um buraco) em uma das ligações Si/Al;

Em um diagrama de níveis de energia, este buraco ocupa um nível de energia situado entre as bandas de valência e

condução, a uma pequena distância Ea da banda de valência

Semicondutores Dopados tipo pÁtomo de Alumínio (Valência =3) Ea << Eg, É necessária apenas uma

pequena energia para que um elétron seja deslocado de uma ligação Si-Si vizinha para completar a lacuna, deixando um buraco na ligação covalente original (buraco se move na rede);

https://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_6.htm

Semicondutores Dopados tipo p


Entendendo agora a teoria de bandas de energia de um sólido

...você consegue compreender porque a resistividade de um semicondutor diminui quando há um aumento da temperatura?

E porque a resistividade de um metal aumenta com a temperatura?

Entendendo agora a teoria de bandas de energia de um sólido

...Quais foram as vantagens tecnológicas trazidas ao nosso diaadia devido às descobertas das propriedades microscópicas

de um semicondutor?

…..

Aplicações:

Junção p-n

A Junção p-n


A junção p-n é um cristal semicondutor que foi dopado em uma região com uma impureza doadora e na outra região vizinha com uma impureza aceitadora;

Esse tipo de junção está presente em muito tipos de dispositivos semicondutores;

Suponha que a junção é formada por dois blocos semicondutores: um tipo n e outro tipo p, e formam um plano de junção; (para formar a junção não basta apenas encostar dois semicondutores (tipo p e tipo n). Tem que ser feito o crescimento dos filmes, um sobre o outro)

A Junção p-n


O que acontece com os portadores de carga próximos ao plano de junção???

Ocorre o Movimento dos Portadores em Maioria (Majoritários)

Gradiente de Difusão os elétrons do “lado n” tendem a se difundir para o outro lado

(passam para o “lado p”);Os buracos do “lado p” tendem a difundir para o “lado n”;

A Junção p-n


O movimento combinado de elétrons e buracos constitui uma corrente de difusão (Idif), cujo sentido convencional é da esquerda para direita (de acordo com esta figura). Sentido convencional de corrente é o movimento dos portadores de carga positivos;

Quando um elétron do “lado n” chega ao “lado p” da junção, logo se combina com uma impureza aceitadora perto do plano de junção;

A Junção p-n


Essa difusão de elétrons do lado n para o lado p da junção (e vice-versa) resulta na formação de carga espacial dos dois lados do plano de junção;

Assim, o movimento dos portadores formam duas regiões de carga espacial, uma positiva e outra negativa;

As duas regiões juntas formam uma zona de depleção de largura d0;

A Junção p-n


Como consequência da formação de carga espacial, aparece uma diferença de potencial de contato (V0) entre as extremidades da zona de depleção;

A Junção p-n


Porque as cargas difundem e formam uma região de largura “d0”????

Movimento de Portadores Minoritários

V0 funciona como uma barreira para os portadores majoritários, mas facilita o movimento dos portadores minoritários; Cargas positivas procuram regiões de baixo potencial;Cargas negativas procuram regiões de alto potencial;

O resultado deste movimento de elétrons e buracos minoritários

constitui uma corrente de deriva (Ider)

A Junção p-n


Junção p-n em equilíbrio – como existe V0, a corrente de difusão devido ao gradiente de concentração de elétrons e buracos é exatamente equilibrada por uma corrente de deriva no sentido oposto

Portanto, é natural que as duas correntes se cancelem;

O Diodo Retificador


Um exemplo de aplicação da junção p-n é o diodo retificador.

Quando colocamos um diodo num circuito, podemos aplicar uma diferença de potencial de duas diferentes formas em relação à junção p-n:

Polarização Direta – que como consequência uma corrente considerável atravessa a junção

Polarização Inversa (ou reversa) – como consequência uma corrente quase nula atravessa o diodo;

Devido as propriedades do diodo, na eletrônica seu símbolo é:

O Diodo Retificador


Polarização Direta – consequência - uma corrente considerável atravessa a junção;

Vext = tensão externa;dD = largura da zona de depleção com polarização direta;

“lado p” se torna mais positivo e o “lado n” se torna mais negativo;

A barreira de potencial de contato (V0) diminui;

V0 é uma barreira para portadores majoritários, portanto:

Se V0 é menor, um número maior de portadores majoritários consegue atravessar a barreira;

Isso significa que Idif > Ider, a corrente resultante desse desequilíbrio é uma corrente elevada (Idif) que percorre o circuito;

O Diodo Retificador


Polarização Inversa – corrente é quase nula;

Vext = tensão externa;dI = largura da zona de depleção com polarização indireta;

A barreira de potencial de contato (V0) aumenta;

Se V0 é maior, um número (muito) menor de portadores majoritários consegue atravessar a barreira;

Isso significa que Idif < Ider, a corrente resultante desse desequilíbrio é uma corrente elevada (II) que percorre o circuito;

O Diodo Retificador


Gráfico para a Polarização Direta e Inversa

O Diodo Retificador


Aplicação:

Se aplicarmos uma tensão senoidal ao diodo retificador, essa é transformada em uma tensão retificada;

O Diodo Retificador


Outras aplicações:Diodo Emissor de Luz (LED – light emitting diode);

ou OLED – organic light emitting diodo;

O Diodo Retificador


Outras aplicações:Fotodiodo - Da mesma forma que a passagem de uma corrente em uma

junção p-n pode produzir luz (LED), a incidência de luz em uma junção p-n pode dar origem a uma a uma corrente elétrica;

Possui a propriedade de variar a sua resistência elétrica em função da intensidade da luz (número de fótons) nela incidente.

Usados em: controle remoto/TV, alarmes, trancas elétricas, portas elétricas, etc;

-Com a ausência de luz e reversamente polarizado (ligado ao contrário dos diodos comuns), o fotodiodo não conduz corrente elétrica (resistência elétrica"infinita").

- Se incidirmos luz na junção semicondutora do fotodiodo, a sua resistência elétrica diminui muito, havendo condução intensa de corrente elétrica (até alguns

miliampères)

O Diodo Retificador


Outras aplicações:Fotodiodo ( e células fotovoltaicas?);

Células fotovoltaicas

Possibilidade de “vender” o excesso à rede elétrica!

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