Semicondutores de Silício. Equipe: Adriano Ruseler Diego Bolsan

Transcrição

1 Semicondutores de Silício Equipe: Adriano Ruseler Diego Bolsan

2 Semicondutores SEMICONDUTORES - Materiais que apresentam uma resistividade Intermediária, isto é, uma resistividade maior que a dos condutores e menor que a dos isolantes. Como exemplo, podemos citar o Carbono, o Silício, o Germânio, etc. Silício e germânio: monocristais estrutura diamante (ligações covalentes)

3 Semicondutores Em estado puro apresenta uma condutividade elétrica bastante limitada; Ao incorporar pequenas quantidades de impurezas, suas propriedades elétricas alteram-se significativamente; O material pode passar, por exemplo, a conduzir eletricidade em um único sentido, de forma que age um diodo; A adição de uma outra impureza lhe confere a propriedade de conduzir eletricidade apenas no outro sentido.

4 Estrutura cristalina do Silício O silício comercial é obtido a partir da sílica de alta pureza em fornos de arco elétrico reduzindo o óxido com eletrodos de carbono numa temperatura superior a 1900 ºC: SiO 2 + C Si + CO 2

5 Obtenção do Silício O silício produzido por este processo é denominado metalúrgico apresentando um grau de pureza superior a 99%. Para a construção de dispositivos semicondutores é necessário um silício de maior pureza, silício ultrapuro, que pode ser obtido por métodos físicos e químicos.

6 Silício - Níveis ou bandas de energia Silício e germânio: 4 elétrons de valência modelo atômico de Bohr: Configuração eletrônica : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

7 Semicondutores e Impurezas Representação simplificada dos átomos de Germânio (Ge); Silício (Si); Índio (In) e Arsênio (As)

8 Estrutura planar do Silício à -273º C Nessa temperatura, todas as ligações covalentes estão completas os átomos têm oito eletrons de valência o que faz com que o átomo tenha estabilidade química e molecular, logo não há eletrons livres e, consequentemente o material comporta-se como um isolante.

9 Estrutura planar do Silício à 20 o À temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos eletrons de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns eletrons livres no semicondutor.

10 Movimento das Lacunas No interior do cristal semicondutor, as lacunas movimentam-se em sentido contrário ao dos elétrons.

11 SEMICONDUTORES SEMICONDUTOR INTRÍNSECO As características elétricas do cristal são devidas ao próprio material semicondutor, e não às suas impurezas. SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO As características elétricas do cristal se devem às impurezas a ele adicionadas, e não aos características do próprio material

12 DOPAGEM IMPUREZAS DOADORAS IMPUREZAS RECEPTORAS

13 IMPUREZAS DOADORAS Os elementos doadores que através do processo da dopagem fornecerem excedentes ao Silício ou Germânio, serão denominados de Doadores. Ao material cujo processo de dopagem deu origem à formação de elétrons excedentes, denomina-se material tipo N.

14 IMPUREZAS DOADORAS Cristal semicondutor puro, onde átomo de Silício foi substituído por um átomo de Arsênio.

15 Formação dos elementos Tipo N Si elemento tetravalente, se adicionarmos uma pequena quantidade de um elemento pentavalente;

16 IMPUREZAS RECEPTORAS Os elementos que através do processo da dopagem derem origem à formação de lacunas, serão denominados de Receptores. Ao material cujo processo de dopagem, deu origem à formação de lacunas, denomina-se material tipo P.

17 IMPUREZAS RECEPTORAS Vejamos agora o caso em que o átomo de Silício é substituído por um átomo de índio (In)

18 Formação dos Elementos Tipo P Se ao Si que é um material tetravalente introduzirmos uma pequena quantidade de material trivalente, teremos:

19 Em geral teremos: Todo cristal de Germânio ou Silício, dopado com impurezas doadoras, é chamado de CRISTAL SEMICONDUTOR TIPO N (N de negativo, referindo-se à carga do elétron). Todo cristal puro dopado com impurezas receptoras é chamado de CRISTAL SEMICONDUTOR TIPO P (P de positivo, referindo-se a carga do próton). Tanto no cristal tipo N como no tipo P, em cada átomo o número de prótons é igual ao número de elétrons. Sendo assim, o cristal impuro (tipo P ou N) é eletricamente neutro

20 MOVIMENTO DOS ELÉTRONS E DAS LACUNAS NOS SEMICONDUTORES DOPADOS Num cristal tipo N, o fluxo de eletrons será muito mais intenso que o fluxo de lacunas, porque o número de eletrons livres (portadores majoritários) é muito maior que o número de lacunas livres (portadores minoritários).

21 MOVIMENTO DOS ELÉTRONS E DAS LACUNAS NOS SEMICONDUTORES DOPADOS Entretanto, num cristal tipo P, onde o número de lacunas (portadores majoritários) á maior que o número de electrões livres (portadores minoritários), o fluxo de lacunas será muito mais intenso que o de electrões livres.

22 Junção PN (diodo de junção) Se um semicondutor tipo P é colocado junto a um do tipo N, na região de contato, chamada junção, haverá a formação de uma barreira de potencial. Na junção, os elétrons portadores da parte N tendem a ocupar lacunas na parte P, deixando esta com um potencial negativo e a parte N com um potencial positivo e, assim, formando uma barreira potencial Vo. Assim, a polaridade da barreira de potencial mantém os elétrons na parte N e os buracos na parte P.

23 Junção PN (diodo de junção) Se um potencial externo V > Vo for aplicado conforme abaixo, o potencial de barreira será quebrado e a corrente elevada pois existem muitos elétrons em N. Diz-se então que a junção está diretamente polarizada.

24 Junção PN (diodo de junção) No caso de inversamente polarizada, o potencial de barreira será aumentado, impedindo ainda mais a passagem de elétrons e a corrente será pequena.

25 Diodo de Junção A polarização inversa tem limite. Acima de um determinado valor ocorre um efeito de ruptura, quebrando a barreira de potencial e a corrente sobe quase na vertical. Isso é usado em diodos reguladores de tensão (diodos zener) por exemplo.

26 Junção NPN e Junção PNP Bipolar dois tipos de cargas, electrões e buracos, envolvidos nos fluxos de corrente Junção duas junções pn. Junção base/emissor e junção base/colector Tipos tipos NPN e PNP. Terminais Base, Emissor e Colector

27 Chip de silício-germânio opera a 500 GHz A tecnologia SiGe consiste na adição de quantidades-traço do elemento germânio ao silício, o material de que são feitos todos os chips. Esse acréscimo melhora consideravelmente o rendimento do silício, fazendo os chips funcionarem mais rapidamente e consumirem menos energia.

28 SITES: _3