Materiais e Equipamentos Elétricos. Aula 5 Materiais semicondutores

Transcrição

1 Materiais e Equipamentos Elétricos Aula 5

2 Semicondutores são sólidos cristalinos com condutividade intermediária entre condutores e isolantes Silício (Si), germânio (Ge) Possuem 4 elétrons na camada de valência

3 Semicondutores são muito importantes na fabricação de componentes eletrônicos Ex: diodo, transistor, LED, circuitos integrados, microprocessadores

4 A condução nos semicondutores é causada por dois efeitos: Elétrons com energia suficiente e conseguiram pular para a banda de condução Lacunas deixadas por estes elétrons As lacunas são considerados como partículas de carga positiva com mesma carga dos elétrons

5 Semicondutores intrínsecos (sem dopagem) são compostos apenas pelo material semicondutor base Possuem baixa condutividade em temperatura ambiente Semicondutores extrínsecos (com dopagem) são compostos primordialmente pelo semicondutor base, mas possuem elementos dopantes, como Fósforo (P dopagem tipo N) e Bóro (B dopagem tipo P) Alteram as características de condução do semicondutor base, inserindo elétrons livres ou lacunas que sempre estão presentes na estrutura

6 A condução de eletricidade nos materiais ocorre por meio de espécies individuais, em escala atômica, chamados portadores de carga. O exemplo mais simples de portador de carga é o elétron, uma partícula com carga negativa de 1,6x10-19 coulomb Outro conceito é a condução por lacunas eletrônicas, que são a ausência de elétrons numa nuvem eletrônica, deixando o lugar da ausência do elétron carregado positivamente em relação a sua vizinhança De acordo com sua facilidade de conduzir energia os materiais são classificados em três grupos: condutores, semicondutores e isolantes

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8 A corrente elétrica resulta do movimento de partículas elétricas carregadas, em reposta a forças a partir de um campo elétrico aplicado externamente. Nos sólidos a corrente vem do fluxo de elétrons, e em materiais iônicos a corrente pode vir do movimento líquido de íons carregados No caso da condutividade eletrônica, a sua magnitude depende fortemente do número de elétrons disponíveis para participar do processo de condução, já que nem todos elétrons de todos os átomos sofrerão aceleração na presença de campo elétrico, devido sua forte ligação com o núcleo

9 O número de elétrons disponíveis para a condução em um material específico está relacionado ao arranjo dos estados ou níveis energéticos ocupados por estes elétrons Para cada átomo existem níveis discretos de energia que são ocupados por elétrons arranjados em níveis (k, l, m...) e subníveis (s, p, d, f). Para cada um dos subníveis s, p, d e f existem respectivamente um, três, cinco e sete estados. Na maioria dos átomos os elétrons preenchem apenas os níveis de energia mais baixa, no limite de dois elétrons com spins opostos por estado, de acordo com o princípio de exclusão de Pauli.

10 Representação esquemática da energia relativa dos elétrons para os vários níveis e subníveis para um átomo isolado

11 Elétrons de valência são aqueles que ficam nas camadas ocupadas mais externas. Estes elétrons são extremamente importantes porque participam das ligações entre átomos e influenciam em várias propriedades físicas e químicas dos sólido Quando vários átomos são aproximados para montar uma estrutura cristalina os elétrons de um átomo interagem com elétrons de átomos vizinhos, e esta influência é tal que cada estado atômico se divide em uma série estados pouco espaçados, formando o que é chamado de banda eletrônica de energia A extensão do número de divisões é dependente da separação interatômica e começa com os níveis mais externos, que são os mais perturbados pelos átomos vizinhos

12 Bandas de energia e Energia de Fermi A energia correspondente ao mais alto estado de energia ocupado a 0 K (zero absoluto) é chamada de Energia de Fermi (Ef),

13 Bandas de energia No espaçamento de equilíbrio, a formação de bandas não ocorre para níveis mais próximos ao núcleo, como mostra a figura abaixo. Nesta figura também podem ser observados os vazios entre bandas adjacentes, que normalmente não estão disponíveis para ocupação por elétrons

14 Quatro estruturas diferentes de bandas eletrônicas são possíveis nos sólidos no zero absoluto. Na primeira, a camada mais externa é apenas parcialmente preenchida. Este tipo de estrutura é típica de alguns metais, em particular daqueles que tem um único elétron de valência em s, como o cobre. Cada átomo de cobre tem um elétron no nível 4s, entretanto, para um sólido formado por N átomos a banda 4s é capaz de acomodar 2N elétrons. Logo, só metade das posições disponíveis é ocupada

15 Para o segundo tipo de estrutura, também encontrada nos metais, há uma sobreposição de uma banda vazia para uma banda ocupada. O magnésio apresenta esta estrutura. Cada átomo isolado de magnésio tem 2 elétrons no nível 3s. Entretanto, quando um sólido é formado as bandas 3s e 3p se sobrepõem

16 As duas últimas estruturas são semelhantes Uma banda de valência completamente preenchida é separada de uma banda de condução vazia A banda proibida é a região que separa as bandas de valência e de condução A largura da banda proibida é maior em isolantes do que nos semicondutores

17 Somente elétrons com energia acima da energia de Fermi podem ser acelerados na presença de um campo elétrico. São esses elétrons, chamados livres, que participam do processo de condução Outra carga eletrônica, chamada lacuna, participa do processo de condução em semicondutores. Lacunas têm energia inferior a E f Para um elétron se tornar livre ele precisa ser promovido para um dos níveis disponíveis com energia acima de Ef. Para os metais, que têm estruturas como em (a) e (b), há estados energéticos disponíveis adjacentes ao mais alto estado preenchido E f. Logo, pouca energia é requerida para promovê-los e a energia fornecida por um campo elétrico é suficiente para excitar um grande número de elétrons para o estado de condução

18 Em isoladores e semicondutores os elétrons precisam receber uma maior energia para passar para a banda de condução. Esta energia é aproximadamente igual ao valor da banda proibida E g e sua fonte pode ser elétrica, calor ou luz, por exemplo. O aumento de temperatura em semicondutores ou isoladores resulta em aumento da energia térmica disponível, o que diminui a resistividade dos mesmos

19 Quando um campo elétrico é aplicado, os elétrons livres experimentam uma aceleração em direção oposta a do campo, devido a sua carga negativa. Entretanto, devido a imperfeições nos cristais, presença de impurezas, vazios, etc, o elétron neste movimento sofre várias mudanças de direção. Existe, contudo, um movimento líquido na direção oposta a do campo. A velocidade de deriva vd [m/s] é a velocidade média do elétron na direção imposta pelo campo e depende da mobilidade do elétron μe [m2/v.s] e do campo aplicado E [V/m] v d =μ e E A condutividade de maneira geral é expressa por σ=μ e n e Onde n é o número de elétrons livres, e = 1, C é a carga absoluta do elétron e µe a mobilidade dos elétrons

20 Alguns elementos da tabela periódica possuem valores intermediários de condutividade em comparação com os metais (de alta condutividade) e com os isolantes( de baixa condutividade). A essa semicondução inerente, chamamos semicondução intrínseca Em semicondutores intrínsecos, para cada elétron excitado para a banda de condução fica uma lacuna em uma ligação covalente ou, no conceito de bandas, um estado é deixado livre. Sob influência de um campo elétrico há um movimento do elétron livre e de elétrons de valência em direções contrárias. O movimento dos elétrons nas ligações covalentes pode ser visto como um movimento da lacuna A lacuna tem a mesma carga de um elétron, mas de sinal contrário. Uma vez que existem dois tipos de portadores de cargas carregados em semicondutores intrínsecos, a expressão da condutividade elétrica deve ser modificada para considerar a contribuição da corrente de lacunas σ=μ e n e +μ p p e Onde p é o número de lacunas por metro cúbico e µp é a mobilidade da lacunas, que é sempre inferior a mobilidade dos elétrons nos semicondutores

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22 A semicondução extrínseca resulta da adição de impurezas, conhecidas como dopantes, e o processo de inclusão desses componentes é chamado dopagem No caso dos condutores e isolantes, as impurezas normalmente são componentes resultantes das matérias-primas empregadas Nos semicondutores extrínsecos as impurezas são materiais cuidadosamente adicionados para obter determinados comportamentos Semicondutores extrínsecos podem ser do tipo P ou do tipo N, dependendo da impureza adicionada. Ambos são produzidos a partir de um material semicondutor intrínseco (pureza extremamente alta). Concentrações controladas de impurezas específicas (doadoras ou aceitadoras) são então adicionadas intencionalmente, através de várias técnicas Existem dois tipos de semicondutores extrínsecos: Tipo N, que predominam portadores de carga negativa (família do fósforo) Tipo P, que predominam portadores de carga positiva (família do boro)

23 O silício (Si), no grupo IV, possui 4 elétrons na camada de valência A adição de átomos do grupo V, como o fósforo (P), arsênio (As) ou antimônio (Sb), em um material do grupo IV, afeta a estrutura da banda de energia do semicondutor O fósforo é um dopante tipo N, porque possui 5 elétrons na camada de valência Quatro dos cinco elétrons do fósforo são necessários para ligarem-se a átomos de Si, o outro elétron não é necessário para ligação, e é relativamente instável, produzindo um nível doador (E d) perto da barreira de condução Esse elétron extra torna-se um elétron de alta mobilidade, facilitando a condução do semicondutor dopado

24 O resultado da dopagem é que para transferir um elétron para a banda de condução é substancialmente menor que no material intrínseco (Eg-Ed).

25 A adição de átomos do grupo III, como o boro(b), alumínio (Al) ou gálio (Ga), em um material do grupo IV, também afeta a estrutura da banda de energia do semicondutor O boro e o alumínio são dopantes do tipo P, porque possui 3 elétrons na camada de valência A ligação do silício com o alumínio deixam a estrutura com a falta de um elétron para completar a ligação com os átomos adjacentes, ou seja, é criada uma lacuna.

26 O resultado da dopagem é que para a estrutura de bandas de energia do silício é um nível receptor (Ea), perto da banda de valência. Um elétron de valência do silício pode facilmente ser promovido para esse nível receptor, gerando uma lacuna, ou seja, um portador de carga positiva.

27 Semicondutores extrínsecos, tanto do tipo P quanto do tipo N, são produzidos a partir de materiais que são inicialmente de pureza extremamente alta. Concentrações controladas de impurezas específicas (doadoras ou aceitadoras de elétrons) são adicionadas intencionalmente Num semicondutor extrínseco do tipo N os elétrons estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente elétrica. As lacunas por sua vez, estão em minoria e designamse por portadores minoritários da corrente elétrica Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente elétrica. Os elétrons, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente elétrica

28 Silício (Si) Além do seu uso como semicondutor na indústria eletrônica e microeletrônica, como material básico para a produção de transistores para circuitos integrados, células solares e em diversas variedades de circuitos eletrônicos, o Silício é utilizado para a produção de ligas metálicas, na preparação de silicones e na indústria cerâmica Outros importantes usos do silício são: Materiais de revestimento e compósitos de cimento, como cerâmicas Elemento de liga em fundições Fabricação de vidro e cristais para janelas e isolantes O carboneto de silício é um dos abrasivos mais importantes O silício é um dos componentes do polímero silicone O silício não é encontrado no estado nativo mas formando silicatos é encontrado, entre outros, no granito, feldspato e argila, representando mais de 25% da crosta terrestre

29 Silício (Si)

30 Germânio (Ge) As aplicações do germânio são limitadas devido ao seu alto custo. Em muitos casos estuda-se a substituição do germânio por materiais mais econômicos Os principais usos do germânio são: Fibras ópticas Eletrônica: Radares, eletrônica militar, circuitos integrados de alta velocidade Óptica de infravermelhos: espectroscópios, sistemas de visão noturna e outros equipamentos Lentes com alto índice de refração, de ângulo amplo e para microscópios Em joias é usado uma liga metálica de Ouro (Au) com 12% de germânio. Usado como elemento endurecedor do alumínio, magnésio e estanho Usado em quimioterapia O tetracloreto de germânio tem uso como catalisador na fabricação de polímeros

31 Germânio (Ge)

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