TEORIA DOS SEMICONDUTORES

TEORIA DOS SEMICONDUTORESDos materiais utilizados no campo da eletrnica, temos:

CONDUTOR - Material que mantm um fluxo de carga quando uma tenso, de amplitude limitada, aplicada em seus terminais.

ISOLANTE - Material que oferece um nvel muito baixo de condutividade quando se aplica uma fonte de tenso.

SEMICONDUTOR - Material que mantm um nvel de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.

BONS CONDUTORES - Cobre um bom condutor 29 prtons e vinte nove eltrons, bem como ouro e prata.

Somente um eltron na ltima camada fora menor para anular a atrao do ncleo.

Bandas de Energia

Um tomo formado por eltrons que giram ao redor de um ncleo composto por prtons e nutrons.

Os eltrons giram em rbitas ou nveis bem definidas conhecidas como K,L,M,N,O,P E Q.

Eltrons de maior energia esto situados nas rbitas mais externas.

Cada rbita possui um nmero mximo de eltrons.

Modelo atmico de Bohr

rbita externa = rbita de valncia ou Banda de Valncia controla as propriedades eltricas do tomo. Eltrons nesta banda pode se libertar ou se ligar a outro tomo atravs de ligaes covalentes. A quantidade de eltrons nesta camada tem influencia significativa nas caractersticas eltricas do elemento.

Eltrons livres rbita mais externa ou Banda de Conduo, qualquer tenso faz com um eltron livre circule de um tomo para o outro.

Banda proibida regio entre uma rbita e outra onde no possvel existir eltrons. A largura dessa banda, define o comportamento eltrico do material.

FATORES QUE INFLUENCIAM NA DIFERENA ENTRE DIVERSOS MATERIAIS:

Composio qumica cobre, carbono, silcio, etc.

Ligao covalente, inica ou metlica

Forma de organizao Estrutura amorfa quando esto desorganizados

Estrutura cristalina quando esto organizados

ION POSITIVO Quando um tomo neutro perde um ou mais eltrons.

ION NEGATIVO Quando um tomo ganha eltrons ele fica negativamente carregado.

MATERIAIS SEMICONDUTORES

Os semicondutores possuem 4 eltrons na camada de valncia e precisam de mais 4 para se tornaram estveis, e o fazem com a participao dos tomos vizinhos => todos entre si => formando uma ligao firme e estvel chamada de cristal.

LIGAO COVALENTE Cada tomo compartilha um par de eltrons com os vizinhos.

Obs.: Existem tambm materiais conhecidos como semicondutores III-V que so formados a partir da ligao entre um elemento trivalente e um pentavalente. Os mais comuns so o arseneto de glio (GaAs) e o fosfeto de ndio (InP).

O Silcio (Si) por ser o mais abundante na natureza o material mais utilizado (pode ser obtido a partir de quartzo que encontrado na areia da praia e na terra) e portanto, mais barato.

ESTRUTURA ATMICA DO TOMO DE SILCIO

Quando tomos de silcio se combinam para formar um slido, cada tomo cede dois eltrons para o seu vizinho (ligao covalente), de tal forma que cada um fica com oito eltrons na ultima camada, tonando-se, portanto estvel, segundo um padro ordenado chamado de Cristal.

CORRENTE NOS SEMICONDUTORES

Dois tipos de fluxo de corrente quando h ruptura de uma ligao covalente em um semicondutor, ser deixada uma lacuna na estrutura do cristal em virtude da perda de um eltron. Como as lacunas so preenchidas por eltrons prximos, deixando em seu lugar uma outra lacuna, o efeito total de uma unidade de carga positiva deslocando-se do primeiro para o segundo tomo, corrente de lacunas e em sentido oposto corrente de eltrons.

Obs.: A Energia trmica pode causar uma Corrente no cristal pela agitao dos eltrons, quanto maior a temperatura, maior ser as vibraes mecnicas.

Corrente de deriva quando se aplica uma diferena de potencial em um semicondutor, o campo eltrico estabelecido no material faz com que os eltrons livres desloquem-se numa direo e as lacunas em outra oposta, essas duas componentes somam-se em vez de cancelarem-se. Os eltrons livres e as lacunas so muitas vezes chamados de portadores.SEMICONDUTOR INTRNSECO um semicondutor puro, ou seja, todos os tomos do cristal so de silcio (Si), ou germnio (Ge) ou arseneto de glio (GaAs) ou fosfeto de ndio .

Obs.: A 273oC o semicondutor intrnseco se comporta como um isolante perfeito.

SEMICONDUTOR EXTRNSICO

Forma de se aumentar a condutibilidade de um semicondutor, isso significa adicionar impurezas aos tomos. Um condutor dopado chamado de semicondutor extrnseco.

Para aumentar o nmero de eltrons livres, adiciona-se tomos pentavalentes ao silcio em fuso, ex.: arsnio (As), antimnio(Sb) e fsforo (P) este processo chamado de dopagem.

Por possurem eltrons livres em excesso so chamados de material tipo N.Num material tipo N os eltrons livres so chamados de portadores majoritrios e as lacunas de portadores minoritrios.

Tipo N Tipo P

Para aumentarmos o nmero de lacunas, utilizamos impurezas trivalentes, cujos tomos possuem apenas trs eltrons de valncia, ex.: alumnio (Al), boro (Bo) e glio (Ga).

Por possurem lacunas em excesso so chamados de material tipo P.

Num material tipo P as lacunas so os portadores majoritrios e os eltrons os portadores minoritrios.

O DIODO SEMICONDUTOR JUNO PNO diodo semicondutor formado juntando-se um bloco de material tipo P com um bloco de material tipo N Juno PNDiodo no polarizado No momento da juno haver uma corrente de difuso, criando uma regio de ons negativos e positivos no combinados chamado de Regio de Depleo e a distribuio da carga nessa rea chamado de Carga Espacial.

A largura da regio de depleo dependente dos nveis de dopagem dos materiais P e N.

O Campo eltrico que aparece na regio de depleo devido aos ons positivos e negativos chamada de Barreira de potencial.

temperatura de 25o C, a barreira de potencial aproximadamente 0,3 V para o Ge e 0,7 V para o Si.

Formao da Juno PN A= tomos aceitadores; h = lacunas associadas; D = tomos doadores; e = eltrons associados; + = ons positivos e - = ons negativos.

SIMBOLOGIA

O lado P da juno PN conhecido como anodo (A) do diodo e o lado N como catodo (K).

POLARIZAO DIRETA E REVERSA DAS JUNES

Uma juno PN polarizada diretamente, os eltrons livres do lado N so atrados pelo plo positivo da fonte externa e as lacunas so foradas a entrar na regio P. Eltrons difundem-se pela regio de depleo e recombinam-se com as lacunas do material P. A regio de depleo estreita-se com a polarizao direta. A tenso direta aplicada tem que ser maior do que a diferena de potencial que aparece na juno, que para o semicondutor de silcio, est compreendida ente 0,5 e 0,8 V (valor normalmente utilizado 0,7 V)

Uma juno PN polarizada reversamente a fonte de tenso est invertida aumentando a barreira de potencial na juno.

Nesse tipo de polarizao, o plo positivo atrair os eltrons e o plo negativo as lacunas, aumentando assim a barreira de potencial, no havendo, portanto conduo de corrente eltrica devido aos portadores majoritrios, existindo apenas uma corrente devido aos portadores minoritrios corrente de Saturao (Is), que para o Silcio da ordem de nanoamperes (nA), tornando-se desprezvel e muito menor que a do Germnio, da o silcio ser muito mais utilizado.

Corrente de Fuga da superfcie corrente que circula na superfcie do cristal devido as ligaes covalente quebradas.

RUPTURA

Valor de tenso reversa que um diodo pode suportar. Ao se aumentar a tenso reversa os portadores minoritrios so acelerados e colidem com os tomos do cristal liberando eltrons de valencia, ou seja, produzem eltrons livres, que por sua vez colidem com outros tomos liberando mais eltrons livres, que vo se somando aos j existentes at que a corrente se torne muito alta e o diodo conduz intensamente. A tenso de ruptura depende do nvel de dopagem. Diodos retificadores possuem tenso de ruptura geralmente maior que 50V.

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O EFEITO ZENEER

Diodos fortemente dopados a camada de depleo muito estreita fazendo com que a tenso de ruptura ocorra para valores de tenso mais baixos, significa dizer que a tenso permanece constante independente da corrente (reversa) que circule por ele. Diodos que utilizam esta propriedade so chamados de diodo Zener, muito utilizados como referencia de tenso.

Resistor de limitao de corrente e Reta de carga

A corrente no diodo ser:

R chamado de resistor de limitao de corrente, pois a corrente que circula nele a mesma que circula no diodo.

Dissipao mxima de potncia

O produto da corrente pela tenso direta determinar a potncia mxima, no entanto, uma vez respeitada a corrente nominal mxima o diodo no queimar.

O DIODO IDEALO diodo ideal funciona como uma chave.

Considerando que o diodo s conduz aps ter vencido a barreira de potencial de 0,7V.

Considerando a resistncia de corpo rB do diodo

Ne = 2n2 Ge Si

K = (n=1) = 2 2 2

L = (n=2) = 8 8 8

M = (n=3) = 18 18 4

N = (n=4) = 32 4 0

32 14

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