Física de Semicondutores: Conceitos Fundamentais e Aplicações, Resumos de Dispositivos Semicondutores

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DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS I

SEMICONDUTORES

Instituto Federal Catarinense Campus Blumenau Curso de Engenharia Elétrica Professor Damian Larsen Bogo

• Estrutura Atômica de um átomo: Modelo de Rutherford-Bohr

• Para uma boa aproximação, podemos identificar a energia total de um elétron com a medida da sua órbita. Quanto menor a sua órbita menor o seu estado de energia.

• Como os elétrons em órbitas maiores possuem maior energia, para que um elétron eleve uma órbita é necessário energia adicional.
• Depois de um elétron ser movido para uma órbita mais externa, ele pode retornar para um nível mais baixo, transformando essa energia adicional em calor, luz ou outra radiação.

• Quando os átomos não estão isolados e fazem parte de uma associação de diversos átomos, não chamamos mais de camada mas sim banda.

• Caso os elétrons da banda de valência recebam uma quantidade de energia suficientemente grande para vencer essa força de atração, eles irão se tornar elétrons livres, isto é, não estarão mais ligados ao seu átomo de origem, podendo então circular pela rede cristalina livremente.

Figura em temperatura ambiente. 𝐸𝑔 é a energia do gap.

• Materiais isolantes não apresentarão (ou quase nenhum) elétrons na banda de condução, constituindo uma baixa condutividade.
• Os materiais semicondutores apresentarão poucos elétrons na banda de condução, sendo a ocupação dessa banda fortemente dependente da temperatura. Em altas temperaturas um semicondutor possuirá muitos elétrons livres, aproximando-se de um material condutor, a baixas temperaturas essa quantidade diminui, aproximando o material de um isolante.
• Os materiais condutores, por sua vez, apresentam um entrelaçamento das bandas de condução e valência, implicando em se ter um grande número de elétrons livres, ou seja, uma alta condutividade.

• O termo intrínseco aplica-se a qualquer material semicondutor que tenha sido cuidadosamente refinado para reduzir o número de impurezas a um nível muito baixo essencialmente, com o grau máximo de pureza disponibilizado pela tecnologia moderna.

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

• Cristal de Silício à 300 K

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

• O calor resulta em elétrons e buracos livres em igual concentração, sendo essa concentração em número de carregadores por unidade de volume (cm³).
• O número de elétrons livres e lacunas se movem aleatoriamente pelo cristal de silício.
• O processo de movimento que resulta do desaparecimento do elétrons livres e lacunas é chamado de recombinação.

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

• A taxa de recombinação é proporcional ao número de elétrons livres e lacunas, sendo esses determinados pela taxa de agitação térmica.

SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS

𝑛 = 𝑝 = 𝑛𝑖

• Onde 𝑛 é a concentração de elétrons livres, 𝑝 a concentração de lacunas e 𝑛𝑖 a concentração de elétrons livres e lacunas (unidade de volume é cm³). 𝑛 𝑖 = 𝐵𝑇 3 / 2 𝑒 −𝐸𝑔/ 2 𝑘𝑇
• Onde 𝐵 é um parâmetro dependente do material (para o silício é 7 , 3 × 10 15 𝑐𝑚 − 3 𝐾 − 3 / 2 ; 𝑇 é a temperatura em Kelvin; 𝐸𝑔 energia do gap, 1 , 12 𝑒𝑉 para o silício; e 𝑘 é a constante de Boltzmann ( 8 , 62 × 10 − 5 𝑒𝑉/𝐾). Obs.: 1𝑒𝑉 = 1 , 6 × 10 − 19 𝐽