Materiais Semicondutores. Materiais Elétricos - FACTHUS 1

Transcrição

1 Materiais Elétricos - FACTHUS 1

2 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 Materiais Elétricos - FACTHUS 2

3 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 Materiais Elétricos - FACTHUS 3

4 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 Materiais Elétricos - FACTHUS 4

5 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) Materiais Elétricos - FACTHUS 5

6 O número de elétrons na órbita de valência é a chave para a condutividade. Os condutores possuem apenas um elétron de valência, semicondutores apresentam quatro elétrons de valência e isolantes apresentam oito elétrons de valência Materiais Elétricos - FACTHUS 6

7 Distribuição eletrônica dos atômos de germânio e silício: Germânio: k=2, l=8, m=18, n=4 Tem 32 prótons no núcleo, os quatro últimos elétrons estão na órbita mais externa ou órbita de valência. Silício: É o semicondutor mais usado. O átomo de silício possui: 14 prótons e 14 elétrons. K=2, l=8, m=4 estão na órbita externa ou 1414órbina de valência. Materiais Elétricos - FACTHUS 7

8 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 Materiais Elétricos - FACTHUS 8

9 A1 Considerando o cristal da figura anterior: Cristais puros de Si e Ge podem ser considerados isolantes. Existem três formas de se aumentar a condutividade desses materiais: 1 Aumentar a temperatura 2 Introduzir impurezas na estrutura química do cristal (Dopagem) 3 Variação de radiação luminosa (Materiais fotosensíveis) Materiais Elétricos - FACTHUS 9

10 1 Aumentar a temperatura Quanto mais alta a temperatura mais fortes as vibrações mecânicas desses átomos. Estas vibrações podem, ocasionalmente deslocar um elétron para uma órbita de valência. Desta maneira o elétron ganha energia suficiente para passar a uma órbita maior tornando-se um elétron livre A saída deste elétron deixa um vazio na órbita de valência chamado de lacuna Em um cristal puro, são criados iguais números de lacunas e de elétrons livres pela energia térmica (aquecimento) Materiais Elétricos - FACTHUS 10

11 2 Introdução de impurezas (Dopagem) Um material semicondutor intrínseco é um semicondutor puro, ou seja, todos os átomos são de Si ou de Ge. A forma de aumentar a condutividade de um material intrínseco é a dopagem que consiste em adicionar impurezas para formar um material extrínseco Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou um excesso de lacunas. Desta maneira temos dois tipos: Material do tipo P e do tipo N. Materiais Elétricos - FACTHUS 11

12 3 Variação da radiação luminosa Nos materiais semicondutores sob o efeito de uma radiação luminosa, a energia dos fótons incidentes é diretamente transferida para o sistema eletrônico do material, podendo excitar elétrons da banda de valência para a banda de condução e dando origem à criação de pares eletróns (absorção). Para obter uma corrente eléctrica é criada uma estrutura de separação dos portadores de carga fotogerados, por ação do campo elétrico interno, antes de se recombinarem. Materiais Elétricos - FACTHUS 12

13 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. B a n d a d e C o n d u ç ã o E n e r g i a e l é t r o n l i v r e I = C o r r e n t e E l é t r i c a B a n d a d e V a l ê n c i a Materiais Elétricos - FACTHUS 13

14 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 Materiais Elétricos - FACTHUS 14

15 B1 Níveis de Energia Eg > 5 ev Eg = 1,1 ev (Si) Eg = 0,67 ev (Ge) Eg = 1,41 ev (GaAs) O elétron-volt é uma unidade de medida de energia. Equivale a 1,6 x joules. Seu símbolo é ev e seu plural, elétrons-volt. Um elétron-volt é a quantidade de energia cinética ganha por um único elétron quando acelerado por uma diferença de potencial elétrico de um volt, no vácuo. Materiais Elétricos - FACTHUS 15

16 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; Materiais Elétricos - FACTHUS 16

17 C1 Recombinação Par Elétron-Lacuna Em um cristal semicondutor ocorre infinitamente este efeito R e c o m b i n a ç ã o P a r E l é t r o n - L a c u n a Materiais Elétricos - FACTHUS 17

18 D Dopagem 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. D1 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. Materiais Elétricos - FACTHUS 18

19 D1 Semicondutor tipo P Semicondutor tipo P Portador Majoritário: lacuna (carga positiva) Portador Minoritário: elétrons (carga negativa) Materiais Elétricos - FACTHUS 19

20 D2 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) Materiais Elétricos - FACTHUS 20

21 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 Materiais Elétricos - FACTHUS 21

22 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. Materiais Elétricos - FACTHUS 22

23 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. Materiais Elétricos - FACTHUS 23

24 E2 Polarização Direta da Junção PN Observe que nesta condição o potencial externo aplicado V D > 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 D ) devido aos portadores majoritários, de alta intensidade. Materiais Elétricos - FACTHUS 24

25 E2 Polarização Direta da Junção PN Materiais Elétricos - FACTHUS 25

26 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. Materiais Elétricos - FACTHUS 26

27 E3 Polarização Reversa da Junção PN Materiais Elétricos - FACTHUS 27

28 I D Is = corrente de saturação reversa K = 1,381*10-23 cte de Boltzmann q = 1,602*10-19 Carga do elétron Tk = Tc + 273º F Curva característica da junção PN VD* q K* T k I S e 1 E f e i t o A v a l a n c h e ( R u p t u r a ) I R m á x Materiais Elétricos - FACTHUS 28

29 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 D 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. Materiais Elétricos - FACTHUS 29

30 G Níveis de Resistência Resistência Estática ou DC 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. R D V I D D Materiais Elétricos - FACTHUS 30

31 G Níveis de Resistência Resistência AC ou Dinâmica 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 D V I D D dv di D D Q ou R D 26mV I D Materiais Elétricos - FACTHUS 31

32 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 D V I D D Materiais Elétricos - FACTHUS 32

33 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. Materiais Elétricos - FACTHUS 33

34 H1 Influência da Temperatura nas Polarização Direta 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: Materiais Elétricos - FACTHUS 34

35 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. Materiais Elétricos - FACTHUS 35

36 I Capacitânica de Transição e Difusão 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 D ) Materiais Elétricos - FACTHUS 36

37 I Capacitânica de Transição e Difusão 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 fc Materiais Elétricos - FACTHUS 37

38 I1 Capacitânica de Transição ou Depleção 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; Materiais Elétricos - FACTHUS 38

39 I2 Capacitânica de Difusão 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 D, maior o armazenamento portanto, maior o efeito capacitivo; Esta capacitância pode atingir dezenas a centenas de pf; Níveis altos de I D resulta em uma constante de tempo resultante menor o que limita aplicações de alta velocidade. Materiais Elétricos - FACTHUS 39

40 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. Materiais Elétricos - FACTHUS 40

41 Diodos Especiais Materiais Elétricos - FACTHUS 41

42 Diodos Especiais LED Diodo Emissor de Luz Dispositivo optoeletrônico, cuja função é de converter sinal elétrico em óptico. Na polarização direta quando os elétrons do lado N cruza a junção, eles se recombinam com as lacunas do lado P. A recombinação produz uma energia liberada na forma de fotóns (luz.) Materiais Elétricos - FACTHUS 42

43 Diodos Especiais LED Diodo Emissor de Luz A irradiação de energia luminosa é possível pela utilização de elementos como o gálio (Ga), Arsênio (As) e o fósforo (P) na fabricação da junção PN. Os LEDs de GaAsP irradiam nas cores vermelho ou amarelo e os LEDs de GaP irradiam na cor verde. Materiais Elétricos - FACTHUS 43

44 Diodos Especiais LED Diodo Emissor de Luz A identificação dos terminais de anodo (A) e catodo (K) é feita em função de algum diferenciador no encapsulamento ou nos terminais do LED. Materiais Elétricos - FACTHUS 44

45 Diodos Especiais LED Diodo Emissor de Luz Com relação aos seus parâmetros elétricos existem algumas pequenas diferenças ao se comparar o LED com os diodos de sinal ou retificadores. A curva característica do LED apresenta uma tensão reversa de ruptura situada em torno de 5 V e na condição de polarização direta a tensão de joelho (V T ) está entre 1,5 V e 2,5 V dependendo da cor do LED. Normalmente, o LED opera com uma corrente direta típica de 10 a 20 ma. O tempo de recuperação está na ordem de nano (s) Materiais Elétricos - FACTHUS 45

46 Diodos Especiais Fotodiodo Uma junção PN polarizada reversamente apresenta uma corrente muito pequena por se tratar de um fluxo de portadores minoritários (geração térmica de pares elétrons-lacunas). Se for permitido que um outro tipo de energia (luz, por exemplo) alcance a região da junção será possível a produção de pares elétrons lacunas adicionais além daqueles gerados termicamente. Portanto, é possível aumentar o fluxo de portadores minoritários e, conseqüentemente, a intensidade da corrente reversa. Materiais Elétricos - FACTHUS 46

47 Diodos Especiais Fotodiodo O fotodiodo é um dispositivo otimizado para apresentar esta sensibilidade à luz. Neste diodo, uma janela permite que a luz atravesse o seu encapsulamento e atinja diretamente a junção PN. Normalmente, esta janela tem o formato de uma lente convergente. Materiais Elétricos - FACTHUS 47

48 Diodos Especiais Fotodiodo Um dado apresentado pelo fabricante é a chamada corrente no escuro dark current que representa a corrente que existe no fotodiodo sem a presença da energia luminosa incidente. Esta corrente nada mais é que a corrente reversa devida unicamente aos portadores minoritários gerados termicamente. Algumas características importantes deste dispositivo são: - Apresentar uma relação aproximadamente linear entre o fluxo luminoso incidente e a corrente reversa produzida. - Tempo de resposta na faixa de nano (s); Materiais Elétricos - FACTHUS 48

49 Diodos Especiais Fotodiodo Dentre os materiais semicondutores, o Ge é utilizado na construção dos fotodiodos. Isto porque este semicondutor apresenta um gap de energia (entre as bandas de valência e condução) de menor valor possibilitando a sua maior sensibilidade e a sua resposta a um espectro mais amplo de comprimentos de onda incluindo a faixa IR (InfraRed). Materiais Elétricos - FACTHUS 49

50 Diodos Especiais Fotodiodo Os fotodiodos são muito utilizados como detectores de luz, medidores de intensidade luminosa ou de comprimento de onda de luz incidente, alarmes etc. Materiais Elétricos - FACTHUS 50

51 Diodos Especiais Optoacoplador Utiliza-se de um LED e um fotodiodo dentro do mesmo encapsulamento. O LED produza irradiação infravermelha, que é absorvida pelo fotodiodo, gerando corrente elétrica. A aplicação básica é o isolamento entre dois circuitos Materiais Elétricos - FACTHUS 51

52 Diodos Especiais Diodo PIN A região I possui alta condutividade sob polarização direta; Na polarização reversa, praticamente não conduz, oferecendo uma tensão de ruptura de centenas de volts atuando como capacitor; Materiais Elétricos - FACTHUS 52

53 Diodos Especiais Diodo PIN Em polarização direta comporta-se como uma resistência variável de baixo valor. Como resistor controlado pela corrente, atua como limitador em circuitos ou como atenuador em microondas. Materiais Elétricos - FACTHUS 53

54 Diodos Especiais Diodo Schottky Não possui camada de depleção e, portanto não armazena cargas. O cristal P é substituído por um metal. Por não possuir lacunas, o metal impede a criação de camada de depleção, de modo que o Trr seja igual a zero; Desempenho excelente em altas freqüências. Materiais Elétricos - FACTHUS 54

55 Diodos Especiais Diodo Varactor ou Varicap O Varicap aproveita o fato de que a junção polarizada reversamente funciona como um capacitor, em que os cristais P e N são as placas e a camada de depleção é o dielétrico. Materiais Elétricos - FACTHUS 55

56 Diodos Especiais Diodo Varactor ou Varicap A principal aplicação do Varicap é em circuitos de sintonia eletrônica nos receptores de TV e FM Materiais Elétricos - FACTHUS 56

57 Referências Bibliográficas Boylestad, R. L., Nashelky. L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 6ºEdição Prentice-Hall do Brasil. Markus. O. Ensino Modular: Sistemas Analógicos Circuitos com Diodos e Transistores. Editora Érica, Milman, J., Halkias, C. C. Eletrônica: Dispositivos e Circuitos Volume 1. McGraw-Hill do Brasil, Marques, A. E. B.,Cruz, E. C. A., Choueri jr. S. Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores. Editora Érica Ltda, 1996 Malvino, A. P. Eletrônica; Volume 1. Editora makron Books, Materiais Elétricos - FACTHUS 57