SEMICONDUTORES. Condução Eletrônica

Transcrição

1 Condução Eletrônica SEMICONDUTORES A corrente elétrica é resultante do movimento de partículas carregadas eletricamente como resposta a uma força de natureza elétrica, em função do campo elétrico aplicado. Partículas carregadas positivamente são deslocadas (aceleradas) na direção do campo elétrico, enquanto as partículas carregadas negativamente na direção oposta. Na grande maioria dos materiais sólidos a corrente elétrica surge do fluxo de elétrons.

2 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos Em todos condutores, semicondutores e em muitos materiais isolantes somente a condução eletrônica existe. A magnitude da condutividade elétrica é fortemente dependente do número de elétrons disponíveis para participar do processo de condução. Vimos anteriormente a estrutura de um átomo isolado. Para cada átomo individual existe níveis de energia discretos que podem ser preenchidos pelos elétrons.

3 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos As camadas são designadas pelos inteiros (1, 2, 3,etc.) e as sub-camadas pelas letras (s, p, d, f). Para cada uma das sub-camadas, existem respectivamente um,três, cinco e sete estados. Os elétrons, na maior parte dos átomos tendem a ocupar os estados com energia mais baixa. Os conceitos discutidos anteriormente são válidos para o caso de um átomo isolado.

4 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos Suponha agora que estes conceitos serão ampliados para um material sólido. Um sólido consiste de um grande número de átomos que quando juntos, se ligam para formar um arranjo atômico que define a sua estrutura cristalina. Em grande distâncias (separação entre os átomos), cada átomo é independente de todos os outros e terá nível de energia atômico e configuração eletrônica como se fosse isolado.

5 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos À medida que os átomos ficam próximos, ocorre perturbação dos níveis de energia de um determinado átomo pelos elétrons e núcleo de átomos adjacentes. Esta influência se dá de tal maneira que cada estado atômico distinto pode se dividir em uma série de estados próximos, para formar o que chamamos de banda de energia eletrônica.

6 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos

7 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos No interior de cada banda, os estados de energia são discretos sendo a diferença entre eles bastante pequena.

8 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos O número de estados dentro de cada banda será igual ao total de todos os estados contribuídos pelos N átomos. Por exemplo, uma banda s consistirá de N estados e a banda p consistirá de 3N estados. Os elétrons que ocuparão determinada banda de energia correspondem aos elétrons que fazem parte de um determinado nível de energia no átomo isolado. Por exemplo, a banda de energia 4s no sólido conterá os elétrons 4s dos átomos isolados.

9 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos As propriedades elétricas de um material sólido são consequência de sua estrutura de banda eletrônica, isto é do arranjo da estrutura de banda mais externa.

10 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos As propriedades elétricas de um material sólido são consequência de sua estrutura de banda eletrônica, isto é do arranjo da estrutura de banda mais externa. Metais:

11 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos Semicondutores e isolantes:

12 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos Semicondutores e isolantes No caso anterior, os elétrons precisam ter energia para passar pela banda proibida band gap em direção aos estados vazios na banda de condução. O número de elétrons excitados termicamente para o interior da banda de condução depende da largura da banda proibida como também da temperatura.

13 Revisão sobre estruturas de banda nos sólidos Semicondutores e isolantes Quanto maior for a largura da banda proibida, menor será a condutividade elétrica numa dada temperatura. Dessa maneira, a distinção entre semicondutores e isolantes está na largura da banda proibida. Para semicondutores ela é pequena, enquanto para isolantes ela é relativamente grande.

14 SEMICONDUTIVIDADE SEMICONDUTORES A condutividade elétrica dos materiais semicondutores não é tão elevada quanto a dos metais, entretanto eles apresentam características elétricas especiais destinadas a certos propósitos. As propriedades elétricas destes materiais são extremamente sensíveis a presença de impurezas. Existem dois tipos de semicondutores:

15 SEMICONDUTIVIDADE SEMICONDUTORES Semicondutores intrínsecos: o comportamento elétrico é baseado na estrutura eletrônica relacionada com o material puro (sem impurezas). Semicondutores extrínsecos: nesse caso as características elétricas são determinadas pelos átomos de impurezas.

16 SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA Os semicondutores intrínsecos são caracterizados por terem a estrutura de banda mostrada na figura anterior. A 0 K, eles apresentam a banda de valência completamente preenchida e separada da banda de condução por uma banda proibida.

17 SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA Os dois semicondutores mais importantes são o silício (Si) e o germânio (Ge) com gap de energia de 0,7 ev e 1,1 ev respectivamente. Ambos são encontrados na família 4 A da tabela periódica e são ligados de maneira covalente. A tabela a seguir fornece algumas informações sobre os elementos citados anteriormente e os principais compostos.

18 SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA

19 SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA Conceito de lacuna Nos semicondutores intrínsecos para cada elétron excitado em direção a banda de condução, existe um espaço vazio deixado por este em uma das ligações covalentes. A lacuna pode ser tratada como uma partícula carregada positivamente que se move em direção oposta ao elétron.

20 SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA Sem a presença de campo elétrico

21 SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA Com a presença de campo elétrico

22 SEMICONDUÇÃO INTRÍNSECA Com a presença de campo elétrico

23 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Praticamente todos semicondutores comerciais são extrínse cos, isto é, o comportamento elétrico é determinado por impurezas, que quando presentes até mesmo em pequenas concentrações introduzem excesso de elétrons ou de lacunas. Semicondução extrínseca tipo n Um átomo de silício tem quatro elétrons de valência, sendo cada um ligado de maneira covalente com um dos quatros átomos de silício adjacentes.

24 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Se um átomo de impureza com cinco elétrons de valência for adicionado a estrutura constituída por átomos de silício, então somente quatro dos cinco elétrons de valência dos átomos de impurezas podem participar no processo de ligação. Fica então um elétron ao redor do átomo de impureza com fraca atração eletrostática. Este elétron é facilmente removido do átomo de impureza tornando-se elétron livre ou de condução.

25 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Fósforo com cinco elétrons de valência adicionado.

26 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Fósforo com cinco elétrons de valência adicionado.

27 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Fósforo com cinco elétrons de valência adicionado.

28 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Como a impureza doa o elétron para a banda de condução, esta é denominada de doadora. Desde que o elétron é originado do átomo de impureza, nenhuma lacuna é criada na camada de valência. Na temperatura ambiente, a energia térmica disponível é suficiente para excitar grande quantidade de elétrons para a banda de condução.

29 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Os elétrons oriundos da ligação covalente são em menor quantidade, ou seja, existem poucas lacunas que são os portadores de carga minoritários. Esse tipo de material é denominado tipo n, e os elétrons são os portadores de carga majoritários em função de sua densidade ou concentração. As lacunas nesse tipo de material são os portadores de carga minoritários.

30 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA

31 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Semicondução extrínseca tipo p Como situação oposta a definida anteriormente, um átomo de impureza com três elétrons de valência é adicionado a estrutura do silício ou do germânio. Uma das ligações covalentes ao redor deste átomo estará faltando um elétron. Tal deficiência pode ser vista como uma lacuna que está fracamente ligada ao átomo de impureza.

32 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Semicondução extrínseca tipo p Tal lacuna pode ser liberada do átomo de impureza pela transferência de um elétron de uma ligação adjacente.

33 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Semicondução extrínseca tipo p

34 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Semicondução extrínseca tipo p Observe com base na figura anterior que cada átomo de impureza introduz um nível de energia na band gap. Um lacuna pode ser imaginada como sendo criada na banda de valência pela energia térmica de um elétron da banda de valência para ocupar o estado energético da impureza. Dessa forma, somente um portador é produzido. Esse tipo de impureza é denominada de receptora.

35 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Semicondução extrínseca tipo p Para este tipo de condução extrínseca, as lacunas estão presentes em maior quantidade do que os elétrons. Esse tipo de material é chamado do tipo p. Isto ocorre porque partículas carregadas positivamente são responsáveis pela condução elétrica. Então, as lacunas são os portadores majoritários e os elétrons são os portadores minoritários.

36 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Os semicondutores extrínsecos (tipo n e tipo-p) são produzidos a partir de materiais que inicialmente possuem elevada pureza. Concentrações controladas de doadores e receptores específicos são intencionalmente adicionadas. Esse processo é conhecido como dopagem.

37 SEMICONDUÇÃO EXTRÍNSECA Nos semicondutores extrínsecos um grande números de portadores de carga (elétrons ou lacunas) são criados na temperatura ambiente. Como consequência, uma elevada condutividade elétrica na temperatura ambiente é obtida.

38 DEPENDÊNCIA DA TEMPERATURA DA CONCENTRAÇÃO DE PORTADORES

39 DEPENDÊNCIA DA TEMPERATURA DA CONCENTRAÇÃO DE PORTADORES Para o semicondutor extrínseco a concentração de portadores em função temperatura é diferente do semicondutor intrínseco.