Materiais Semicondutores, Notas de aula de Dispositivos Semicondutores

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INTRODUÇÃO - Semicondutores

Professor Lucas Tenório de Souza Silva

Semicondutores

 Sumário  Introdução aos semicondutores  Diodo e Simbologia  Junção do Diodo  Principio de funcionamento e Polarização do diodo  Curva Característica do Diodo  Teste de diodos  Modelos do Diodos  Aplicações com diodos Retificadores  Diodo emissor de luz (LED)  Fotodiodo  Diodo zener e Características

INTRODUÇÃO - ELETRÔNICA

 A eletrônica é bastante presente em nosso dia-dia. É utilizada para:  Diagnosticar doenças , desenvolver métodos de cura e salvar vidas ,  Lazer e ao comodismo das pessoas  Substituir a mão de obra onde as condições são sub humanas e acelerar processos antes feitos de forma artesanais.  Equipamentos Bélicos (infelizmente);

 Assim, é importante:

 Saber manejá-las de forma adequada;  Entender para quem e para que serve  Ter o poder de crítica , para avaliar a real utilidade das novas tecnologias em prol do bem social.

CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA

1- CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA

 O átomo é formado basicamente por 3 tipos de partículas elementares: elétrons, prótons e nêutrons. A quantidade destas é diferente para cada tipo de elemento químico.  Número Atômico: Z (nº de prótons = nº de elétrons)  Número de Massa: A (nº de prótons + nº de neutrons)  Exemplo:  Átomo de Silício:  Z=14 = nº de prótons = nº de elétrons;  A = 28 = nº de prótons + nº de neutrons;  nº de neutrons; = 14  Átomo de Germânio :  Z=32 = nº de prótons = nº de elétrons;  A = 70 = nº de prótons + nº de neutrons;  nº de neutrons; = 38

CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA

 O posicionamento dos elétrons dentro da obita esta relacionado ao equilíbrio entre a força centífuga (Fc – relacionada à velocidade do elétron) e a força eletrostática (Fe – força de atração elétrons e prótons). Por conta disto, existe um número máximo de elétrons por camada.

 A última camada é chamada de camada de valência. Quando o elétron desta camada ganha energia (calor, luz ou outro tipo de radiação), o mesmo deixa a camada do átomo para a camada de condução, e se torna um elétron livre.

CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA

 O elétron livre são os elétrons de valência, que formam a corrente elétrica quando ele estão sob a ação de um campo elétrico (fonte de tensão).

 É na camada de valência que ocorre as reações (ligações) entre os átomos.

 A estrutura atômica se torna mais estável quando a camada de valência possui 8 elétrons (exceto se possui apenas a camada K, que será 2).

 NaCl

MATERIAIS SEMICONDUTORES

2- MATERIAIS SEMICONDUTORES

 Os materiais semicondutores são constituídos por de átomos tetravalentes , ou seja, possui 4 elétrons na camada de valência.

 Átomos dos materiais semicondutores tendem a se agrupar formando cristais e, neste caso, os elétrons da camada de valência estão presentes nas camadas de dois átomos simultaneamente. Este tipo de ligação é chamada de ligação covalente.

MATERIAIS SEMICONDUTORES

 Materiais compostos por apenas um tipo elemento químico semicondutores são chamados de semicondutores intrínsecos ou puros (estado natural).

 Em baixas temperaturas , o material é considerado isolante. Com o aumento da temperatura algumas ligações se rompem, elétrons ficam livres e permitem a passagem de corrente.

 A liberação de elétrons ( elétrons livres ) faz o átomo ficar ionizado positivamente. Esta falta de elétron é identificado como se existisse uma lacuna (buraco) com sinal positivo.

DOPAGEM DO SEMICONDUTOR

3 – DOPAGEM DO MATERIAL SEMICONDUTOR

 A dopagem é um processo químico, realizado em laboratório, que tem finalidade colocar no interior da estrutura cristalina uma quantidade de impurezas para que o cristal passe a ter condutividade elétrica conforme as condições desejadas.

 Com a dopagem pode obter dois tipos de materiais:  Tipo N – material semicondutor dopados com átomos pentavalentes (Fósforo-P, Arsenio-As, Antimônio- Sb) e que tem como portadores majoritários de carga elétrica elétrons livres.  Tipo P – material semicondutor dopados com átomos trivalentes (índio-In, Boro-B, Alumínio–Al, Galio-Ga) e que tem como portadores majoritário de carga elétrica as lacunas (falta de elétrons livres).

MATERIAIS SEMICONDUTORES

 O cristais semicondutores que N e P, por conterem impureza, são denominados de s emicondutores extrínsecos.

 A junção (conexão) de materiais semicondutores (Si, Ge) do tipo N com tipo P é a estrutura básica de muitos componentes eletrônicos.

Tipo N Átomo Pentavalente: Fósforo

Tipo P Átomo Trivalente: Boro

MATERIAIS SEMICONDUTORES

 Para determinar o número de buracos no material dopado, basta usa a constante do produto (pn):

 Exemplo 02: Considerando que o material possui os dois tipos de impurezas (Adoador e Aaceitador), então o número de elétrons livres pode ser determinado por:

 Consequentemente, o número de buracos no material dopado, é calculado pela constante do produto (pn):



 





 

   (^) 



n

p cm

n

p cm T K germânio

silício 26 6

20 6

5 , 7 10

2 , 2 10 300

n  Ad  Aa

4 3 16 3

20 6 20 6 2 10 cos/ 1 , 1 10 /

2 , 2 10 2 ,^210 bura cm elétrons cm

pn cm p cm silício (^)         ^ 

TRANPORTE DE ELÉTRONS E BURACOS

4 – TRANPORTE DE ELÉTRONS E BURACOS

 Antes de analisarmos as junções, é interessante ter

conhecimento sobre os processos de deslocamento dos

portadores no semicondutor. São dois:

 Difusão – é o processo natural de deslocamento, em os portadores buscam a uniformidade da concentração de portadores no material.

 Deriva (Drift) – é o processo que utiliza o campo elétrico para forçar o deslocamento dos portadores em um sentido.  Quando não estão sobre influencia do campo, os portadores se deslocam de forma aleatória.

ESTUDO DA JUNÇÃO

5 – ESTUDO DA JUNÇÃO

 Ao efetuar a união das duas pastilhas, tipo P com a tipo N, ocorre a difusão dos portadores através da junção, ou seja, movimentação dos elétrons para ocupar as lacunas, esse processo é conhecido como recombinação.

 A recombinação neutraliza as cargas (um elétron se anula com uma lacuna).

DIODO E JUNÇÃO

 Apesar de neutralizar as cargas, os átomos das impurezas se tornam íons , chamadas de cargas descobertas.

 A região em torno da junção é chamada de camada de depleção ( região de transição ).

 O carregamento das impurezas, faz surgir um campo elétrico na região da junção, uma diferença de potencial chamada de barreira de potencial (V), que impede que o processo de difusão e a recombinação continue.