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Materiais Semicondutores
� Os semicondutores tem condutividade entre os condutores e isolantes
� Cristais singulares:
• Germânio (Ge)
• Silício (Si)
� Cristais Compostos:
• Arseneto de gálio(GaAs)
• Sulfeto de cádmio(CdS)
1-MATERIAIS SEMICONDUTORES
• Nitreto de gálio(GaN)
• Fosfeto de arseneto de gálio(GaAsP).
� Mais utilizados: Ge, Si e GaAs.
• Germânio : utilizado nos primeiros componentes, fácil de encontrar, facilidade de refino. Sensível às variações de temperatura.
• Silício : menor sensibilidade à temperatura. Um dos materiais mais abundantes na natureza.
• Arseneto de Gálio : velocidade de operação 5x maior que o silício, custo mais elevado.
Materiais Semicondutores
� Valência
• Silício e Germânio: 4 elétrons na camada de valência (tetravalentes)
• Gálio: 3 elétrons na camada de valência (trivalentes).
• Arsênio: 5 elétrons na camada de valência (pentavalentes).
� Ligação covalente : elétrons de valência formam um arranjo de ligação com átomos adjacentes compartilhando elétrons:
2- LIGAÇÕES COVALENTES
Ligações covalentes
Ligação covalente no silício Ligação covalente no AsGa
Materiais Semicondutores
� Elétron livre : elétrons de valência que absorvem energia cinética externa (luz, calor...) quebrando as ligações covalentes.
� Materiais intrínsecos : material refinado com reduzido número de impurezas.
3- MATERIAIS INTRÍNSECOS
� Coeficiente de temperatura negativo : aumento da condutividade com aumento da temperatura.• Elétrons de valência absorvem energia térmica sufic iente para quebrar ligações covalentes.
Materiais Semicondutores
� Portadores intrínsecos( n i): número de portadores livres, à temperatura ambiente.
3- MATERIAIS INTRÍNSECOS
Semicondutor Portadores intrínsecos ( n i) – cm3
• GaAs 1,7 x 10 6
• Si 1,5 x 1010
• Ge 2,5 x 1013
� Mobilidade relativa ( µn): capacidade dos portadores de se moverem por todo o material.
Semicondutor Mobilidade relativa (μn) – cm2/V.s
• Si 1500
• Ge 3900
• GaAs 8500
Materiais Semicondutores
4- NÍVEIS DE ENERGIA
� Quanto maior a distância do elétron em relação ao núcleo, maior o seu estado de energia.
Energia
nível de valência – camada mais externaGap de energia
segundo nível de energiaGap de energia
núcleonúcleo
� Somente níveis de energia específicos podem existir para os elétrons na estrutura atômica para átomos isolados.
� Entre os níveis de energia não se admitem portadores (gaps).
Materiais Semicondutores
4- NÍVEIS DE ENERGIA
� O gap de energia revela elementos úteis para a construção de dispositivos sensíveis à radiações:
• Fotodetectores sensíveis à luz ou calor• Diodos emissores de luz – LED
� Quanto maior o gap, maior a possibilidade de a energia ser liberada � Quanto maior o gap, maior a possibilidade de a energia ser liberada sob a forma de luz ou calor.
Materiais Semicondutores
4- NÍVEIS DE ENERGIA
Banda de condução
Eg > 5eV
- - -
Energia
Banda de condução
- - -
Energia
Sobreposição de bandas
Elétrons livres
Não alcança o nível de
condução - - - -
Banda de condução
Banda de valência
Energia
Classificação dos materiais – níveis de energia
- - -
Banda de valência
Eg > 5eV Eg = 0,67eV(Ge) Eg = 1,1eV(Si)Eg = 1,43eV(GaAs)
- - -
Banda de valência
Banda de valência
ISOLANTES SEMICONDUTORES CONDUTORES
Materiais Semicondutores
5- SEMICONDUTORES TIPO E
� As características de um material semicondutor podem ser alteradas com adição de átomos de impurezas ao material intrínseco.
� Estas impurezas, adicionadas na proporção de uma parte em 10 milhões, modificam as propriedades elétricas do material.
� Dopagem:capacidade de alterar as características do material com adição de � Dopagem:capacidade de alterar as características do material com adição de impurezas.
� Um material submetido ao processo de dopagem é chamado de extrínseco.
Materiais Semicondutores
5- SEMICONDUTORES TIPO E
MATERIAL DO TIPO
� O semicondutor tipo N é produzido pela adição de átomos pentavalentes ao cristal de silício.
� Exemplos: arsênio (Ar) e antimônio (Sb).
� Ao formar ligações covalentes estes átomos ficam com um elétron sobrando, que passa para a banda de condução.
Quinto elétron de valência do fósforo
Impureza de fósforo (P)
Materiais Semicondutores
5- SEMICONDUTORES TIPO E
MATERIAL DO TIPO
� Impurezas difundidas pentavalentes são chamadas de átomos doadoras.
� Algumas lacunas continuam a serem produzidos em pequena quantidade pela quebra das ligações covalentes.
� Se o quinto elétron do átomo doador deixa o átomo de origem, este adquire uma carga líquida positiva.
� Os elétrons da banda de condução são chamados portadores majoritários e as lacunas, portadores minoritários.as lacunas, portadores minoritários.
Representação do semicondutor N
+ lacunas
- elétrons livres- - - - - - - - - - -
- + - - - - - + - -
- - - - - + - - - - -
- - - + - - - - - -+ íon positivo
Materiais Semicondutores
5- SEMICONDUTORES TIPO E
MATERIAL DO TIPO
� O semicondutor tipo N é produzido pela adição de átomos trivalentes ao cristal de silício.
� Exemplos: , gálio (Ga), alumínio (Al)� Nas ligações covalentes estes átomos ficam com um elétron a menos na
banda de valência. Dessa forma aparece uma lacuna em cada átomo trivalente.
Lacuna
Impureza de boro
Materiais Semicondutores
5- SEMICONDUTORES TIPO E
MATERIAL DO TIPO
� Impurezas difundidas trivalentes são chamadas de átomos aceitadores.
� Alguns elétrons livres continuam a serem produzidos em pequena quantidade pela quebra das ligações covalentes.
� Se um elétron livre preencher a lacuna do átomo aceitador, este adquire uma carga líquida negativa.
� As lacunas são os portadores majoritários e os elétrons portadores � As lacunas são os portadores majoritários e os elétrons portadores minoritários.
Representação do semicondutor P
+ lacunas
- elétrons livres+ + + + + + - +
+ + - + + + + +
+ + + - + + + +
+ + + + + - + +- íon negativo
Materiais Semicondutores
6- CONDUÇÃO ELÉTRICA NOS SEMICONDUTORES
� Um elétron de valência adquire energia cinética suficiente para quebrar sua ligação covalente ( elétron livre).
� Será criado uma lacuna na ligação covalente que liberou o elétron.� O elétron livre preenche o vazio de uma lacuna existente.� Ocorre o deslocamento das lacunas num sentido e dos elétrons no sentido
oposto.
Elétron deslocado para direita...Lacuna Quebra da Elétron ocupará Existente da ligação covalente a lacuna ...lacuna para
esquerd a
íon positivo íon negativo
QUESTIONÁRIO
01- Defina com suas próprias palavras o que significam material intrínseco, coeficiente de temperatura positivo e coeficiente de temperatura negativo e ligação covalente.
02- Pesquise e liste três materiais que tenham coeficiente de temperatura positivo e três que tenham coeficiente de temperatura negativo.
03- Explique a diferença entre materiais semicondutores do tipo N e do tipo P.
04- Explique a diferença entre impurezas doadores e aceitadoras.
05- Explique a diferença entre portador majoritário e minoritário.
Materiais Semicondutores
05- Explique a diferença entre portador majoritário e minoritário.
06- Descreva a formação de íons nos semicondutores N e P.
07- Esboce a estrutura atômica do silício e insira um átomo de arsênio como impureza. Qual o tipo de semicondutor formado?
08- Repita a questão anterior, inserindo agora um átomo de alumínio como impureza.
09- Descreva o fluxo de lacunas versus fluxo de elétrons nos materiais semicondutores.