física dos semicondutores

ET74C – Eletrônica 1

Física dos Semicondutores

Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto ([email protected]) 26 de Agosto de 2015


Objetivo da Aula

Conhecer as características gerais dos materiaissemicondutores, compreender a condução decorrente usando a teoria de elétrons e lacunas,conhecer os materiais do tipo n e p.

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Conteúdo Programático

Modelo Atômico de Bohr;

O conceito de níveis de energia;

Ligação covalente;

Estrutura cristalina;

Semicondutores intrínsecos e extrínsecos.3


Construção de Conhecimento esperado

Adquirir conhecimentos sobre as característicasfundamentais dos semicondutores aplicados aconstrução de dispositivos eletrônicos.

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Estrutura Atômica

Modelo Atômico de Bohr

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• Elétrons orbitam o núcleo;• Órbitas bem definidas.


Estrutura Atômica

Modelo Atômico de Bohr

– O átomo apresenta apenas níveis discretos de energia(quantização);

– A energia de um elétron pode mudar (salto quântico):• Nível mais elevado → absorve energia;• Nível mais baixo → emite energia;• h=constante de Planck (J.s).

– Tentativa de representar os elétrons tanto em termosda sua posição quanto em relação a sua energia.

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𝒇𝒇 =𝑾𝑾𝟐𝟐 −𝑾𝑾𝟏𝟏

𝒉𝒉


Estrutura Atômica

Nível de Energia

– Quanto maior a distância de um elétron em relaçãoao núcleo, maior o estado de energia, e qualquerelétron que tenha deixado seu átomo de origemtem um estado de energia mais alto do quequalquer outro elétron na estrutura atômica.

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Estrutura Atômica

Níveis de energia

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Elétron livre (referência)

Estados permitidospara o átomo dehidrogênio de Bohr(isolado).

Intervalo (GAP)

1eV = 1,60x10-19 J


Estrutura Atômica

Modelo Atômico de Bohr x Modelo Mecânico-ondulatório.

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Modelo de Bohr Modelo Mecânico-Ondulatório


Estrutura Atômica

Níveis de Energia:

– O que ocorre com os níveis de energia quando oátomo não está isolado, como por exemplo, emuma estrutura cristalina?

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Bandas de Energia

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Diferentes níveis de energia.

Semicondutor


Materiais Semicondutores

Os principais semicondutores utilizados para construção de dispositivos eletrônicos são:– O Germânio (Ge) - Natural;– O Silício (Si) - Natural;– O Arseneto de Gálio (GaAs) - Sintético.

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Estrutura Atômica - GaAs

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Estrutura Atômica – Ge e Si

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Camada de Valência

Na quarta camada

Na Terceira camada

O que isso significa?


Bandas de Energia

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Implicações:

– Cada material semicondutor possui um Eg diferente• Germânio – Eg = 0,67eV• Silício – Eg = 1,1 eV• Arseneto de Gálio – Eg = 1,43eV

– Essa diferença em Eg representa a sensibilidade decada tipo de semicondutor às variações detemperatura.


Bandas de Energia

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Implicações:

– Por exemplo, à medida que a temperatura de umaamostra de germânio aumenta, o número deelétrons que podem absorver energia térmica eentrar na banda de condução vai aumentar muitorapidamente, devido a Eg ser muito pequena. Para oSilício e o Arseneto de Gálio seria muito menor.



Germanita e Germânio

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Cu26Fe4Ge4S32

Germânio purificado



Germânio:

– Muito utilizado na fabricação de diodos etransistores logo após seu surgimento (década de1940);

– Processo de fabricação bem conhecido (refino paraobter alta pureza - > 99%);

– Baixa confiabilidade, devido a sua sensibilidade avariações de temperatura.

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Silício

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Quartzo (SiO2)

Abundante e encontrado em várias formas na natureza, como rocha eareia. Contudo, o quartzo é a preferencial para aplicações emeletrônica.

Silício purificado



Silício:

– Material abundante – menor preocupação quanto adisponibilidade;

– Processo de fabricação inicialmente mais complexo,porém, com o tempo tornou-se o material preferidoda indústria de semicondutores;

– Menos suscetível a variações de temperatura.

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Arseneto de Gálio:

– Processo de fabricação inicialmente (década de1970) mais complexo do que aquele aplicado ao Si;

– Maiores velocidades de atuação obtidas com essematerial.

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Estrutura Cristalina

Quando os átomos de silício ou germânio secombinam para formar um sólido, eles sãoarranjados segundo um padrão ordenadochamado cristal;

Cada átomo de silício, por exemplo, partilha umelétron com seu vizinho (Ligação Covalente)

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Ligação Covalente

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Ligação Covalente

Camada de Valência



Ligação Covalente – Exemplo Si Planificado

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Diagrama de lattice



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Ligação Covalente – Exemplo GaAs Planificado

Diagrama de lattice


Estrutura Cristalina – Idéia Geral

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Estrutura Cristalina Célula unitária

Átomos representados como esferas sólidas

Exemplo para estrutura cúbica de corpo centrado (CCC)



Monocristalino – formato regular dos grãos(uma única orientação); Policristalino – formato irregular dos grãos

(várias orientações cristalográficas)

27policristalinoMonocristalino



O Ge e o Si – possuem estrutura cristalinasingular, ou seja, um único tipo de átomopresente;

O GaAs – Estrutura cristalina composta, ou seja,dois ou mais elementos semicondutores comestruturas atômicas distintas.

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Germânio e Silício

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GaAs

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Ga

As


Semicondutor Intrínseco

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O termo intrínseco aplica-se a qualquermaterial semicondutor que tenha sidocuidadosamente refinado para reduzir onúmero de impurezas a um nível muito baixoobtido com a tecnologia moderna.



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Estrutura de bandas para o semicondutor

Banda de ConduçãoVazia

Eg < 2eV

Banda de ValênciaPreenchida

Energia

0°K

Nesta condição o semicondutorse comporta como um isolante



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Excitação do Elétron – Causas comuns:

– Energia térmica ( variação na Temperatura);– Energia Luminosa (fótons);– Diferença de potencial.

Implicação?



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EnergiaElétron Livre

Lacuna na Banda de Valência

Excitação doElétron

Estrutura de bandas para o semicondutor

> 0°K



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Elétrons Livres e lacunas – visão planificada

Lacuna

Elétron LivreElétron de Valência

Ligação CovalenteRompida

Ligação Covalente Átomos desilício



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Lacunas - mecanismo para condução decorrente que não envolve elétrons livres.

Campo elétrico



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Lacunas

– Se comportam como uma carga positiva, igual emmagnitude à carga do elétron (+1,6x10-19 C);

– Pode-se considerar, portanto, que as lacunas sãoentidades físicas cujo movimento constitui umacorrente elétrica.



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Recombinação

– Em um material intrínseco o número de elétrons livres elacunas criados pela energia térmica é igual;

– Os elétrons livres e as lacunas se movimentam de formarandômica através da estrutura cristalina;

– Ocasionalmente um elétron livre ao se aproximar deuma lacuna é atraído e capturado por ela. A essa uniãode um elétron livre com uma lacuna se dá o nome deRECOMBINAÇÃO.



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Concentração de Lacunas e elétrons livres

– Concentração de lacunas = p;– Concentração de elétrons livres = n;

• No equilíbrio térmico:

• ni = representa a concentração de elétrons livres ou lacunasem um material intrínseco a uma dada temperatura.

𝑛𝑛 = 𝑝𝑝 = 𝑛𝑛𝑖𝑖



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B – parâmetro dependente do material; 5,4x1031 paraSi;

EG – 1,12 eV para Si; k – constante de Boltzmann – 8,62x10-5 eV/K; T – temperatura em ° Kelvin.

𝑛𝑛𝑖𝑖2 = 𝐵𝐵𝑇𝑇3𝑒𝑒−𝐸𝐸𝐺𝐺/𝑘𝑘𝑘𝑘



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Quantidade de Portadores

Semicondutor Portadores Instrínsecos (cm3)

GaAs 1,7x106

Si 1,5x1010

Ge 2,5x1013



Mobilidade

– É a capacidade dos portadores se moverem por todo o material semicondutor.

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Semicondutor Portadores Instrínsecos (cm2/V.s)

Si 1500

Ge 3900

GaAs 8500

Implicação de µ - Tempos de resposta menores



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Tempo de vida

– O tempo entre a geração de um par elétron livre –lacuna e seu desaparecimento é chamado de tempode vida;

– Sua ordem de grandeza se encontra entre algunsnanossegundos até vários microssegundos.



Velocidade de deriva

– A deriva é um mecanismo para explicar omovimento dos elétrons livres – lacunas. A derivaocorre quando um campo elétrico é aplicado aosemicondutor. Os portadores são acelerados pelocampo elétrico e adquirem um componente develocidade média (sobreposto à velocidade de seumovimento térmico)

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Velocidade de deriva (cm/s)

– E – campo elétrico, em V/cm;– µi – mobilidade dos elétrons e lacunas, em cm2/V.s;

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𝑣𝑣𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝜇𝜇𝑖𝑖𝐸𝐸



Densidade total de corrente de deriva :

– E – campo elétrico, em V/cm;– µi – mobilidade dos elétrons e lacunas;– p – Densidade de lacunas;– n – Densidade de Elétrons;– q - Carga do elétron (1,6x10-19C)

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𝐽𝐽𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝑞𝑞 𝑝𝑝𝜇𝜇𝑝𝑝 + 𝑛𝑛𝜇𝜇𝑛𝑛 𝐸𝐸



Condutividade

– n – número de elétrons livres;– p – número de lacunas;– Módulo da carga elétrica do elétron (1,6x10-19C);– µp - mobilidade das lacunas;– µn - mobilidade dos elétrons.

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𝜎𝜎 = 𝑛𝑛 𝑒𝑒 𝜇𝜇𝑛𝑛 + 𝑝𝑝 𝑒𝑒 𝜇𝜇𝑝𝑝


Semicondutor Extrínseco

Dopagem

– Adição de “impurezas” ao semicondutor intrínseco;

– O objetivo da dopagem consiste em modificar ascaracterísticas elétricas do semicondutor;

– Em geral trata-se da condutividade;• Alta dopagem → Baixa resistência;• Baixa dopagem → Alta resistência.

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Dopagem

– A proporção de impurezas utilizadas no processo dedopagem é da ordem de uma parte em 10 milhões;

– Os principais materiais utilizados no processo dedopagem são chamados de materiais do tipo n e dotipo p.

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Material do tipo n

– Formado pela adição de um número pré-determinado de átomos de impureza a uma base desilício, por exemplo;

– Obtido pela adição de impurezas pentavalentes(cinco elétrons na camada de valência);

– Em geral Antimônio (Sb), Arsênio (As) e Fósforo (P).

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Material do tipo n – Adição de Sb

Impureza do tipo doadora



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Estrutura das bandas de energia – tipo n

Eg consideravelmente menor emrelação aos semicondutoresintrínsecos.



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Estrutura das bandas de energia

– Para o germânio 0,01 eV;

– Para o silício 0,05 eV.

– À temperatura ambiente existe um grande númerode portadores majoritários na banda de condução,portanto, a condutividade do material aumenta.



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Material do tipo n

– Os elétrons são conhecidos como portadoresmajoritários;

– As lacunas são conhecidas como portadoresminoritários, pois, o processo de dopagem commaterial do tipo n não gera lacunas;



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Material do tipo n

– O número de lacunas no material diminui emrelação ao semicondutor intrínseco pois, o grandenúmero de elétrons aumenta a taxa derecombinação no material dopado do tipo n.



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Material do tipo n - Representação esquemáticados portadores.



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Concentração de elétrons e lacunas no material dotipo n

– nno – Concentração de elétrons livres;– ND - Concentração de átomos doadores;– pno - Concentração de lacunas.

𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 ≃ 𝑁𝑁𝐷𝐷𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑝𝑝𝑛𝑛𝑛𝑛 = 𝑛𝑛𝑖𝑖

2

𝑝𝑝𝑛𝑛𝑛𝑛 ≃𝑛𝑛𝑖𝑖

2

𝑁𝑁𝐷𝐷



Material do tipo p

– Formado pela adição de um número pré-determinado de átomos de impureza a uma base desilício, por exemplo;

– Obtido pela adição de impurezas trivalentes (trêselétrons na camada de valência);

– Em geral Boro (B), Gálio (Ga) e Índio (I).

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Material do tipo p – Adição de Sb

Impureza do tipo receptora



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Estrutura das bandas de energia – tipo p



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Estrutura das bandas de energia

– O número de elétrons livres no material diminui emrelação ao semicondutor intrínseco devido aogrande número de lacunas geradas.



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Material do tipo p – Representaçãoesquemática dos portadores.



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Concentração de elétrons e lacunas no material dotipo p

– npo – Concentração de elétrons livres;– NA - Concentração de átomos aceitadores;– ppo - Concentração de lacunas.

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑛𝑛 ≃ 𝑁𝑁𝐴𝐴𝑛𝑛𝑝𝑝𝑛𝑛𝑝𝑝𝑝𝑝𝑛𝑛 = 𝑛𝑛𝑖𝑖

2

𝑛𝑛𝑝𝑝𝑛𝑛 ≃𝑛𝑛𝑖𝑖

2

𝑁𝑁𝐴𝐴


Dispositivos Eletrônicos

Os materiais do tipo n e p representam osblocos de construção básicos dos dispositivossemicondutores.

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Referências Utilizadas BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria

de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson education do Brasil, 2013.

SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C.. Microeletrônica. 5ed. São Paulo: PearsonPrentice Hall, 2007.

MILLMAN, Jacob; HALKIAS, Christos C. Eletrônica: dispositivos e circuitos.2.ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1981 2v.

MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Makron, c1997. 2v.

CALLISTER Jr., William D.; Ciência e Engenharia de Materiais: Umaintrodução. 5ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2002.

Floyd, Thomas L.; Electronic Devices (Conventional Flow Version). 7th

Edition. Prentice-Hall, Inc., USA, 2004.

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Obrigado pela Atenção!Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – [email protected]

Departamento Acadêmico de Eletrotécnica – DAELT – (41)3310-4626 Av. Sete de Setembro, 3165 - Bloco D – Rebouças - CEP 80230-901

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