Capítulo 1 - Materiais Semicondutores

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1 Capítulo 1 - Materiais Semicondutores Professor: Eng. Leandro Aureliano da Silva Propriedades dos Átomos 1 O átomo é eletricamente neutro, pois o número de elétrons de suas órbitas é igual ao número de prótons presentes em seu núcleo; 2 A última órbita de um átomo é denominada órbita de valência, permitindo que o átomo altere as suas características elétricas por meio da ionização: perdendo elétrons o átomo torna-se um íon positivo, ganhando elétrons torna-se um íon negativo; Íon Positivo ou Cátion Íon Negativo ou Ânion Eletrônica Para Automação Industrial 2 1

2 Propriedades dos Átomos 3 Cada órbita possui uma distância bem determinada em relação ao núcleo e um nível próprio de energia. Em função disso, cada órbita aceita um número máximo de elétrons; K = 2 L = 8 M = 18 N = 32 O = 32 P = 18 Q = 8 Eletrônica Para Automação Industrial 3 Propriedades dos Átomos 4 Um átomo é estável se sua órbita de valência está completa com 8 elétrons (a exceção é a órbita k, cuja estabilidade é atingida com 2 elétrons); 5 O átomo tende-se a unir com átomos do mesmo ou outros elementos, visando a estabilidade. Essa união ocorre por meio de ligações covalentes (compartilhamento de elétrons) ou eletrovalentes (doação definitiva de elétrons). Ex: Ligação Covalente Eletrônica Para Automação Industrial 4 2

3 Os materiais semicondutores são assim denominados por apresentar algumas características elétricas tanto dos condutores como dos isolantes; O material semicondutor é formado por átomos de 4 elétrons na órbita de valência sendo denominado tetravalentes; Os semicondutores mais utilizados: são o silício e o germânio; Átomo de Silício (Si) Eletrônica Para Automação Industrial 5 A - Formação do Cristal Semicondutor Para que o átomo de silício ou germânio atinja a estabilidade com 8 elétrons, é necessário que os 4 elétrons na órbita de valência realizem 4 ligações covalentes com outros 4 átomos de silício ou germânio, isto da origem ao cristal semicondutor. Cristal Semicondutor Eletrônica Para Automação Industrial 6 3

4 B Níveis de Energia Os elétrons da banda de valência são os que tem facilidade de sair do átomo. Em primeiro lugar, porque eles têm uma energia maior e, em segundo lugar, porque, por estarem a uma distância maior em relação ao núcleo a força eletrostática é menor. Por isso uma pequena quantidade de energia recebida faz com que o elétrons se tornem livres, estes tem que sair da banda de valência e ir para a banda de condução, sendo capazes de se movimentar pelo material. Sob a ação de um campo elétrico tem-se a corrente elétrica. Banda de Condução Banda de Valência Energia elétron livre I = Corrente Elétrica Eletrônica Para Automação Industrial 7 B1 Níveis de Energia O fato dessas órbitas estarem a distâncias bem-definidas em relação ao núcleo, faz com que entre uma órbita e outra exista um região onde não é possível existir elétrons, denominada banda proibida. O tamanho dessa banda proibida na última camada define o comportamento do material. gaps Eletrônica Para Automação Industrial 8 4

5 B1 Níveis de Energia Eg > 5 ev Eg = 1,1 ev (Si) Eg = 0,67 ev (Ge) Eg = 1,41 ev (GaAs) Eletrônica Para Automação Industrial 9 C Condução Elétrica nos cristais Semicondutores Elétrons e Lacunas Em um cristal semicondutor puro ou intrínseco, embora os elétrons de valência estejam firmemente fixados a estrutura cristalina ainda é possível que a temperatura ambiente, alguns elétrons recebam energia suficiente para se tornarem livres. Nesse caso o cristal comporta-se como uma resistência elétrica; Cada elétron livre que surge deixa um vazio, chamado de lacuna (carga positiva); Se um elétron livra-se de uma ligação covalente e ocupa uma lacuna de outra ligação covalente, ocorre a recombinação do par elétron-lacuna; Eletrônica Para Automação Industrial 10 5

6 C1 Recombinação Par Elétron-Lacuna Em um cristal semicondutor ocorre infinitamente este efeito Recombinação Par Elétron- Lacuna Eletrônica Para Automação Industrial 11 opagem Consiste em alterar as características elétricas e físicas de um cristal semicondutor pela substituição de alguns átomos tetravalentes por átomos trivalentes ( 3 elétrons na órbita de valência) ou pentavalentes (5 elétrons na órbita de valência). Esses átomos são denominados de impurezas, e o semicondutor dopado é denominado impuro ou extrínseco. 1 Semicondutor tipo P A dopagem de um cristal de Si ou Ge com impurezas trivalentes (alumínio, gálio ou boro) ocasiona ligações covalentes incompleta, de forma que o cristal dopado fica com excesso de lacunas. Eletrônica Para Automação Industrial 12 6

7 1 Semicondutor tipo P Semicondutor tipo P Portador Majoritário: lacuna (carga positiva) Portador Minoritário: elétrons (carga negativa) Eletrônica Para Automação Industrial 13 2 Semicondutor tipo N A dopagem de um cristal de Si ou Ge com impurezas pentavalentes (fósforo ou antimônio), formam ligações covalentes de forma que o cristal dopado fica com excesso de elétrons Semicondutor tipo N Portador Majoritário: elétrons (carga negativa) Portador Minoritário: lacunas Carga positiva) Eletrônica Para Automação Industrial 14 7

8 E Junção PN Quando a união dos cristais é realizada, ocorre o processo de difusão, isto é, o excesso de elétrons do lado N são atraídos pelo excesso de lacunas presentes no lado P e do lado P para o N, provocando diversas recombinações de pares elétron-lacuna Eletrônica Para Automação Industrial 15 E1 Junção PN Com a união, forma-se íons positivos no lado N e íons negativos do lado P; O aumento da ionização faz com que o processo de difusão cesse; Essa camada ionizada em torno da junção fica com ausência de portadores devido as recombinações. Ela é denominada camada de depleção; Na camada de depleção surge um campo elétrico no sentido dos íons + para os negativos. Como os elétrons se movimentam no sentido contrário do campo, a camada de depleção impede a passagem de portadores majoritários. Esse impedimento é denominado barreira de potencial V T. Eletrônica Para Automação Industrial 16 8

9 E1 Junção PN A temperatura ambiente, a junção PN formada por semicondutores de Si gera um V T = 0,7V e o Ge um V T = 0,3V. Eletrônica Para Automação Industrial 17 E2 Polarização ireta da Junção PN Observe que nesta condição o potencial externo aplicado V > V T, gera um campo elétrico externo contrário ao campo elétrico interno. Isto faz com que os elétrons do lado N e lacunas do lado P sejam acelerados para dentro da região de depleção, iniciando o processo de desionização, ocasionando a diminuição da camada de depleção, favorecendo o surgimento de uma corrente (corrente direta I ) devido aos portadores majoritários, de alta intensidade. Eletrônica Para Automação Industrial 18 9

10 E2 Polarização ireta da Junção PN Eletrônica Para Automação Industrial 19 E3 Polarização Reversa da Junção PN Nesta condição, o pólo positivo da fonte atraí os elétrons do lado N, gerando mais íons positivos, e o pólo negativo da fonte fornece elétrons para se recombinarem com as lacunas do lado P, gerando mais íons negativos. A ionização excedente aumenta a camada de depleção impossibilitando o fluxo de portadores majoritários. Eletrônica Para Automação Industrial 20 10

11 E3 Polarização Reversa da Junção PN Eletrônica Para Automação Industrial 21 I Is = corrente de saturação reversa V = Tensão ireta V T = Tensão equivalente a temperatura η = tem um valor igual a 1 para o Ge e 2 para o Si Tk = Tc + 273º F Curva característica da junção PN V η V T = I S e 1 V T = T Efeito Avalanche (Ruptura) IRmáx À temperatura ambiente (T= 300K, V T = 0,026V Eletrônica Para Automação Industrial 22 11

12 F Curva característica da junção PN O primeiro quadrante representa a condição de polarização direta bem como, o símbolo elétrico do diodo. Nesta condição, verifica-se que a partir de V T a corrente I tem um crescimento abrupto, de forma que a junção tenha um comportamento próximo ao de um curto-circuito; No terceiro quadrante tem-se a condição de polarização reversa, onde a junção é limitada tanto por I Rmáx quanto por B V ou V Rmáx. Se a temperatura aumentar na junção, os elétrons minoritários são acelerados portanto aumenta-se a corrente reversa. Se esta continuar a aumentar, chegará o ponto em que ocorrerá a ruptura da junção. Eletrônica Para Automação Industrial 23 G Níveis de Resistência Resistência Estática ou C A aplicação de uma tensão contínua em circuitos com diodo resultará no chamado ponto de operação ou ponto quiescente Q que é um valor fixo de tensão e um valor fixo de corrente. A relação entre estes valores é conhecida como resistência estática. V R = I Eletrônica Para Automação Industrial 24 12

13 G Níveis de Resistência Resistência AC ou inâmica A aplicação de uma tensão senoidal em circuitos com diodo resultará em um deslocamento do ponto quiescente Q. Graficamente está pode ser calculada passando uma reta tangente pelo ponto de operação desde que estas oscilações sejam pequenas. R = V I dv di Q ou R = 26mV I Eletrônica Para Automação Industrial 25 G Níveis de Resistência Resistência AC Média Se as variações de tensão em torno do ponto são grandes, é necessário calcular a Resistência Ac média R V = I Eletrônica Para Automação Industrial 26 13

14 H Influência da Temperatura A temperatura na junção é sempre maior do que a temperatura ambiente; A temperatura influência no comportamento da junção por causa da geração de portadores minoritários; Nos diodos de silício essa influência é menor do que no diodo de germânio. Eletrônica Para Automação Industrial 27 H1 Influência da Temperatura nas Polarização ireta O aumento da temperatura provoca a diminuição na camada de depleção; A taxa de variação da tensão direta em função da temperatura é dada aproximadamente por: Eletrônica Para Automação Industrial 28 14

15 H2 Influência da Temperatura na Polarização Reversa A corrente reversa depende da corrente de saturação I s e da corrente de fuga I f ; I R = I S +I f; Somente I s depende da temperatura. Eletrônica Para Automação Industrial 29 I Capacitânica de Transição e ifusão No diodo, existem dois efeitos capacitivos a serem considerados. Ambos os tipos de capacitância estão presentes nas regiões de polarização direta e reversa, mas uma excede a outra dependendo da região de operação considerada; Na região de polarização reversa, temos a capacitância da região de transição ou depleção (C T ), enquanto que na região de polarização direta, temos a capacitância de difusão (C ) Eletrônica Para Automação Industrial 30 15

16 I Capacitânica de Transição e ifusão É muito importante avaliar estas capacitâncias, pois deve-se recordar que a reatância capacitiva (Xc) é inversamente proporcional à freqüência e, em altas freqüências podem ser introduzidos curtos-circuitos através de baixos valores de Xc; Xc = 1 2 π fc Eletrônica Para Automação Industrial 31 I1 Capacitânica de Transição ou epleção Na polarização reversa a camada de depleção W é maior, o que resulta em uma capacitância menor; Quanto maior a tensão reversa menor a capacitância; Existe um diodo especializado chamado de Varicap, muito utilizado em sintonia que esta otimizado para trabalhar como um capacitor variável com base neste fenômeno; Esta capacitância é da ordem de pf; Eletrônica Para Automação Industrial 32 16

17 I2 Capacitânica de ifusão Embora o efeito anterior esteja também presente na polarização direta ele é sobrepujado por outro efeito capacitivo que depende diretamente do nível de corrente direta. Quando os portadores se difundem através da junção, eles levam um determinado tempo para efetivamente se recombinarem. Até que a maioria dos portadores se recombine, eles ficam armazenados o que equivale modelar este comportamento como um capacitor; Quanto maior I, maior o armazenamento portanto, maior o efeito capacitivo; Esta capacitância pode atingir dezenas a centenas de pf; Níveis altos de I resulta em uma constante de tempo resultante menor o que limita aplicações de alta velocidade. Eletrônica Para Automação Industrial 33 J Tempo de Recuperação Ao se aplicar um sinal de freqüência elevada (Onda Quadrada), as capacitâncias do diodo impedirão que este dispositivo responda instantaneamente. Existirão o tempo de recuperação direto T rd e o tempo de recuperação reverso T rr. Como a capacitância de difusão apresenta valores mais elevados o tempo de recuperação reverso (passar da condição direta para a condição reversa) será maior, por este motivo, representa o tempo de recuperação dominante; Para diodos de sinal, este tempo é da ordem de Nano (s) para diodos retificadores é da ordem de micro (s); Este parâmetro é de extrema importância em casos de chaveamento de alta velocidade. Eletrônica Para Automação Industrial 34 17

18 Referências Bibliográficas Boylestad, R. L., Nashelky. L. ispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 6ºEdição Prentice-Hall do Brasil. Markus. O. Ensino Modular: Sistemas Analógicos Circuitos com iodos e Transistores. Editora Érica, Milman, J., Halkias, C. C. Eletrônica: ispositivos e Circuitos Volume 1. McGraw-Hill do Brasil, Marques, A. E. B.,Cruz, E. C. A., Choueri jr. S. ispositivos Semicondutores: iodos e Transistores. Editora Érica Ltda, 1996 Malvino, A. P. Eletrônica; Volume 1. Editora makron Books, Eletrônica Para Automação Industrial 35 18