EA

Revisão de Semicondutores

Prof. Cassius Grillo

Sumário

1 – Condutores

2 – Isolantes

3 – Semiconditores

1 - Condutores

• Nos materiais sólidos, as cargas elétricas que se

movimentam são os elétrons

Os elétrons que se movimentam no interior dos materiais sólidos, formando a corrente elétrica, são denominados de elétrons livres.

Os metais são os materiais que melhor conduzem a corrente elétrica porque os átomos da sua estrutura possuem um pequeno número de elétrons na camada

externa (até 3 elétrons).

1 - Condutores

Fuga de Elétron Estrutura do Cobre

Os materiais condutores podem ser classificados segundo a resistência queapresentam. Os melhores condutores (chamados de bons condutores) são osque apresentam menor resistência elétrica

2 - Isolantes

Os materiais classificados de isolantes são os que apresentam grande oposiçãoà circulação de corrente elétrica no interior da sua estrutura.Os materiais isolantes têm poucos elétrons livres.

Os materiais isolantes têm a sua estrutura atômica composta por átomos que têm 5 ou mais elétrons na última camada energética.

2 – Isolantes

Em condições anormais, um material isolante pode tornar-se condutor. Este fenômeno, denominado ruptura dielétrica

- Vida útil

Nos materiais condutores, os elétrons da camada devalência estão fracamente ligados ao núcleo. Comuma pequena adição de energia, esses elétrons seliberam da banda de valência (camada externa)passando para a banda de condução onde semovimentam livremente (elétrons livres)

3 – Semicondutores

Alguns materiais apresentam propriedades de conduçãoelétrica intermediárias entre aquelas inerentes aos isolantes eaos condutores. Tais materiais são denominados desemicondutores .

Um exemplo típico de um elemento químico que pode formarmateriais exibindo características elétricas distintas é ocarbono.

Diamante – Estrutura cristalina - Isolante

Grafite - Estrutura não Cristalina (amorfa) - semicondutor

3 – Semicondutores

Os materiais semicondutores mais simples são constituídos deátomos de um único elemento químico com quatro elétrons nacamada de valência. Denominados de átomos tetravalentes .

4 – Variáveis Ambientais

Conseqüências...- Vibração

- Choque mecânico

Mudança súbita de posição, velocidade ou aceleração de um

corpo.

Pode ser caracterizado por aceleração ou desaceleração em

curto espaço de tempo.

3 – Semicondutores

Os átomos que têm quatro elétrons na camada de valênciatendem a se arranjar ordenadamente na formação do materialsegundo uma estrutura cristalina com átomos vizinhoscompartilhando seus elétrons de valência

Compartilhamento de elétrons entre átomos ligadoscovalentemente em uma estrutura cristalina e arepresentação simbólica correspondente.

3 – Semicondutores

Nas ligações covalentes os elétrons permanecem fortementeligados ao par de núcleos interligados. Por esta razão osmateriais formados por estruturas cristalinas puras, compostasunicamente por ligações covalentes, adquirem característicasde boa isolação elétrica.

dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos naestrutura cristalina de uma substância.

•Natural•Laboratório

3 – Semicondutores

SEMICONDUTOR TIPO n

Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina do semicondutor uma quantidade de átomos contendo excesso de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal

Dopagem de silício com átomo de fósforo. Apenas quatro dos cinco elétrons de valência do fósforo, podem participar das ligações covalentes com os átomos de silício

3 – Semicondutores

Com a adição de impurezas, e conseqüente aumento no número de elétronslivres, o cristal que era puro e isolante passa a ser condutor de corrente elétrica.

O semicondutor dopado com átomos contendo excesso de um ou mais elétrons nacamada de valência recebe a denominação de semicondutor tipo n.

3 – Semicondutores

Nesses materiais a corrente elétrica é conduzida predominantemente por cargasnegativas .

3 – SemicondutoresSEMICONDUTOR TIPO p

Quando os átomos introduzidos na estrutura cristalina do semicondutor exibemdeficiência de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons dacamada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo p.

O átomo de índio, por exemplo, que tem três elétrons na camada de valência,quando utilizado no processo de dopagem do silício dá origem a umsemicondutor tipo p

3 – Semicondutores

SEMICONDUTOR TIPO p

Essa ausência de elétron de ligação é denominada de lacuna .

Quando a dopagem produz lacunas nosemicondutor, um elétron proveniente de umaligação covalente só poderá transitar para umponto do cristal onde haja uma lacunaponto do cristal onde haja uma lacunadisponível.

As lacunas em um semicondutor dopado secomportam efetivamente como cargas positivasque podem transitar em um cristal quando esteestá submetido a uma tensão externamenteaplicada.

3 – Semicondutores

A condutividade elétrica de um semicondutor pode ser contro lada peladosagem adequada da quantidade de dopagem do cristal, duran te a etapa defabricação.

Propriedades Térmicas

Quando a temperatura de um material semicondutor aumenta, o aumento deenergia térmica do elétron de valência facilita a sua liberação da ligação covalentede que participa.

3 – Semicondutores

O diodo semicondutor é um componente que pode comportar-se como condutor ouisolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada aos seusterminais.

Diodo Semicondutor

Um diodo semicondutor é formado a partir da junção entre um semicondutor tipo p eum semicondutor tipo n

A estrutura formada recebe a denominação de junção pn .

3 – Semicondutores

logo após a formação da junção pn, alguns elétrons livres se difundem dosemicondutor tipo n para o semicondutor tipo p. O mesmo processo ocorre comalgumas lacunas existentes no semicondutor tipo p que difundem para osemicondutor tipo n.

Diodo Semicondutor

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

Durante o processo de difusão, parte dos elétrons livres se recombinam comlacunas na região próxima à junção. Produz uma região de cargas positivas do ladon e negativas do lado p da junção.

Essa região de cargas próxima à junção é denominada região de cargasdescobertas ou região de depleção .

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

Portanto, imediatamente após a formação da junção, uma diferença de potencialpositiva é gerada entre os lados n e p. Essa barreira de potencial previne acontinuação do transporte de portadores através da junção pn não polarizada.

A tensão VB proporcionada pela barreira de potencial no interior do diodo, dependedo material utilizado na sua fabricação. Valores aproximados para os diodos degermânio e silício são VB = 0,3 V e VB = 0,7 V, respectivamente.

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

O diodo semicondutor é representado em diagramas de circuitos eletrônicos pelosímbolo. O terminal da seta representa o material p, denominado de ânodo dodiodo, enquanto o terminal da barra representa o material n, denominado de cátododo diodo.

Formas de identificação dos terminais do diodo semicondutor para dois tiposcomuns de encapsulamento.

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

A aplicação de tensão sobre o diodo estabelece a forma como o componente secomporta eletricamente. A tensão pode ser aplicada ao diodo pela polarizaçãodireta ou pela polarização inversa do componente.

Polarização direta é uma condição que ocorre quando o lado p é submetido a umpotencial positivo relativo ao lado n do diodo.

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

O valor da tensão aplicada ao diodo é inferior ao valor VB da barreira de potencial. Nessa condição, a maior parte dos elétrons e lacunas não têm energia suficiente para atravessar a junção.

Como resultado, apenas alguns elétrons e lacunas têm energia suficiente para penetrar a barreira de potencial, produzindo uma pequena corrente elétrica através penetrar a barreira de potencial, produzindo uma pequena corrente elétrica através do diodo.

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

Se a tensão aplicada aos terminais do diodo excede o valor da barreira de potencial, lacunas do lado p e elétrons do lado n adquirem energia superior àquela necessária para superar a barreira de potencial, produzindo como resultado um grande aumento da corrente elétrica através do diodo.

Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a condição V > VB, diz-se que o diodo está em condução .

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

A polarização inversa de um diodo ocorre quando o lado n fica submetido a um potencial positivo relativo ao lado p do componente.

Nessa situação, os pólos da fonte externa atraem os portadores livres majoritários em cada lado da junção; ou seja, elétrons do lado n e lacunas do lado p são afastados das proximidades da junção.afastados das proximidades da junção.

Quando o diodo está sob polarização inversa, impedindo o fluxo de corrente através de seus terminais, diz-se que o diodo está em bloqueio ou na condição de corte .

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

É sempre conveniente modelar um determinado componente eletrônico através deseu circuito equivalente .

Por diodo ideal entende-se um dispositivo que apresenta características ideais decondução e bloqueio.

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

Modelos mais realísticos do diodo operando em condução ou em bloqueio sãodescritos a seguir.

Com respeito às características de condução do diodo semicondutor, deve-se levar em conta que o diodo entra em condução efetiva apenas a partir do momento em que a tensão da fonte externa atinge um valor ligeiramente superior ao valor VB da barreira de potencial.

Deve-se também considerar a existência de uma resistência elétrica através da junção quando o diodo está sob polarização direta. Essa resistência existe em qualquer semicondutor, devido a colisões dos portadores com a rede cristalina do material. O valor da resistência interna dos diodos em estado de condução é normalmente inferior a 1Ω.

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

Circuito com diodo submetido a condução e cálculo do erro cometido ao se utilizar odiodo ideal como modelo.

Erro relativo(%) = − × = − × = × =I I

I2 1

1

1000 0333 0 0328

0 0328100

0 0005

0 0328100 15%

. .

,

.

.,

3 – Semicondutores

Diodo Semicondutor

O diodo em bloqueio pode, portanto, ser modelado a partir do circuito equivalente.

Efeitos associados à temperatura e a absorção de fótons nas proximidades dajunção de um diodo, possibilitam a geração de uma pequena quantidade deportadores minoritários , ou mais precisamente, lacunas no lado n e elétrons livresno lado p. Conseqüentemente, sempre existe uma corrente de fuga , quando odiodo é inversamente polarizado, correspondendo à passagem de portadoresminoritários através da junção.

FIMFIM