Aula. Semicondutores. Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica Geral

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1 Aula Semicondutores Prof. Alexandre Akira Kida, Msc., Eng. Eletrônica Geral 1

2 Plano de aula Conceituar: Condutores, isolantes e semicondutores Cristais semicondutores Semicondutores tipos P e N Junção PN (diodo) Polarização Efeito de ruptura Barreira de potencial 2

3 Materiais Elétricos Do ponto de vista elétrico, os materiais encontrados na natureza podem ser divididos em três categorias: 1. Condutores (bons condutores de eletricidade) 2. Isolantes (péssimos condutores de eletricidade) 3. Semicondutores (medíocres condutores de eletricidade) Capacidade de condução resistividade (ρ) do material Por que não resistência? 3

4 Materiais Elétricos Resistividade (ρ) varia para cada tipo de material Unidade no sistema SI é Ω.m Resistência elétrica (R), em função de ρ é dada por: R L A Função do comprimento e área da secção transversal 4

5 Materiais Elétricos 5

6 Materiais Elétricos Estabilidade química alcançada quando os átomos têm sua camada de valência preenchida Camada de valência última camada de um átomo nível mais distante de seu núcleo Regra do octeto são necessários 8 elétrons na camada de valência (maioria dos átomos) 6

7 Condutores Condutibilidade do material Existência (ou inexistência) de elétrons livres Elétrons livres fracamente atraídos pelo seu núcleo Condutores 1 a 3 elétrons na camada de valência Aplicação de um campo elétrico fácil deslocamento facilmente os elétrons de livres de um átomo para outro Deslocamento de elétrons fluxo de corrente elétrica Unidades: Ampére (A) transporte de 1 Coulomb (C) de carga por segundo (s) 7

8 Condutores Os melhores condutores (cobre, ouro e prata) apenas 1 elétron de valência Exemplo de resistividade (ρ): Prata: Ohm.m Cobre: Ohm.m Ouro: Ohm.m Figura. Cobre, ouro e prata 8

9 Isolantes Possuem 5 a 8 elétrons na sua órbita de valência Não cedem facilmente elétrons Camada de valência completa ou quase completa Não possuem elétrons livres Os melhores isolantes 8 elétrons na camada de valência Necessário uma grande energia para deslocar os elétrons situados na banda de valência para a de condução. 9

10 Isolantes Exemplo de resistividade: Borracha: ohm.m Mica: ohm.m Vidro: ohm.m Figura. Vidro, mica e borracha 10

11 Semicondutores Resistividade intermediária Materiais tetravalentes (apresentam 4 elétrons na camada de valência) Mais utilizados: Germânio (GE) e Silício (SI) Exemplo de resistividade: Silício: Ohm.m Figura. Silício Germânio: Ohm.m Figura. Germânio 11

12 Semicondutores Figura. Camada de valência dos semicondutores 12

13 Semicondutores - Silício (Si) Antigamente, dificuldades no refinamento do Si fizeram com que o Ge fosse o semicondutor mais utilizado Problema: corrente reversa excessiva Semicondutor mais utilizado atualmente Si 14 prótons e 14 elétrons 4 ficam na órbita de valência Descoberto por Jöns Jacob Berzelius (1823) 2º elemento mais abundante da terra 25.7% do seu peso O 2 é o mais abundante Presente, na forma de dióxido de silício, Areia, argila, granito e quartzo 13

14 Semicondutores - Silício (Si) Quimicamente estáveis 8 elétrons na camada de valência Os átomos de Si se combinam para formar uma estrutura cristalina (cristal) Cada átomo de Si compartilha seus elétrons a outros átomos de Si através de ligações covalentes Os elétrons não pertencem mais a um único átomo isolado Elétrons compartilhados Os átomos que originalmente possuíam 4 elétrons na camada de valência, passam a possuir 8 14

15 Semicondutores - Silício (Si) Figura. Cristal de Si 15

16 Semicondutores - Silício (Si) Figura. Cristal de Si e suas ligações covalentes 16

17 Semicondutores - Silício (Si) Semicondutor intrínseco cristal puro Todos os átomos são de Si Há apenas elétrons livres e lacunas geradas termicamente São tão puros quanto a tecnologia atual permite Na temperatura ambiente, um cristal de Si não é um bom condutor Adição de impurezas altera totalmente as características de condutibilidade 17

18 Semicondutores - Dopagem Processo de adicionar impurezas no cristal do semicondutor Semicondutor extrínseco Controle da quantidade de impurezas controle preciso das características do semicondutor 18

19 Semicondutores - Dopagem Processo: 1. Primeiro deve-se obter um cristal semicondutor puro. Na fabricação exige-se um grau de pureza muito elevado, da ordem de 99, % (equivale a 1g de impurezas a cada toneladas do material) 2. Deve-se fundir o cristal de Si para quebrar as ligações covalentes, mudando seu estado de sólido para líquido 3. Adiciona impurezas Porque o cristal passa por um rigoroso processo de purificação se depois será adicionada impurezas? 19

20 Semicondutores - Tipo N Dopagem do cristal de Si com impurezas pentavalentes Arsênio (As), Antimônio (Sb) e Fósforo (P) Impurezas pentavalentes o número de elétrons livres 20

21 Semicondutores - Tipo N O Tipo N está relacionado com o negativo Há excesso de elétrons livres Elétrons livres portadores majoritários Lacunas portadores minoritários Eletricamente neutro (número de prótons = número elétrons) Também conhecida como impurezas doadoras Formado por elementos da família 5A 21

22 Semicondutores - Tipo N Elementos pentavalentes Figura. Tabela periódica simplificada 22

23 Semicondutores - Tipo P Dopagem do cristal de Si com impurezas trivalentes Alumínio (Al), Boro (B), Índio (In) e Gálio (Ga) Impurezas trivalentes o número de lacunas 23

24 Semicondutores - Tipo P Tipo P está relacionado com o Positivo Excesso de lacunas Lacunas portadores majoritários Elétrons livres portadores minoritários Eletricamente neutro (N de prótons + N de nêutrons) Também conhecida como impurezas receptoras Formado por elementos da família 3A 24

25 Semicondutores - Tipo P Elementos trivalentes Figura. Tabela periódica simplificada 25

26 Semicondutores - Resumo Tipo P Impurezas trivalentes (receptoras família 3A) Portadores majoritários lacunas Portadores minoritários elétrons livres Tipo N Impurezas pentavalentes (doadoras família 5A) Portadores majoritários elétrons livres Portadores minoritários lacunas 26

27 Semicondutores - Junção PN Pedaço de um semicondutor do tipo N ou P resistor Figura. Junções P e N 27

28 Semicondutores - Junção PN O fabricante pode criar um cristal que de um lado é um semicondutor tipo P e o outro tipo N P N Figura. Junção PN 28

29 Semicondutores - Junção PN A junção é chamada de Diodo Etimologia: contração de dois eletrodos A combinação das junções P e N é base da eletrônica Alguns dispositivos que utilizam esse princípio: Diodos Transistores Tiristores Processadores Figura. Diodo 29

30 Semicondutores - Camada de Depleção Quando os elétrons livres da camada N penetram na camada P, ele cai em uma lacuna, há o processo de recombinação P N 30

31 Semicondutores - Camada de Depleção P N 31

32 Semicondutores - Camada de Depleção A lacuna desaparece e o elétron livre se torna elétron de valência A região próxima a junção PN fica vazia de portadores, por isso é chamada de camada de depleção (Depleção = Vazio) O átomo pentavalente vira um íon positivo (pois ele perde um elétron) O átomo trivalente vira um íon negativo (pois ganha um elétron) Um par de íons (dipolo) é criado cada vez que um elétron se difunde através da junção 32

33 Semicondutores - Barreira de Potencial Os dipolos formados próximos a junção PN criam uma diferença de potencial barreira de potencial Diodos de Ge: 0,3V Diodos de Si: 0,7V 33

34 Semicondutores - Corrente Elétrica Nos semicondutores, tanto os elétrons como as lacunas contribuem para o fluxo da corrente Elétrons livres se movem através da sua banda de condução Lacunas se movem através banda de valência 34

35 Semicondutores - Corrente Elétrica Figura. Fluxo de elétrons e lacunas em um semicondutor 35

36 Semicondutores - Polarização 36

37 Semicondutores - Polarização Direta Lacunas Elétrons Livres A tensão deve ser maior que a barreira de potencial As lacunas e os elétrons livres se movem em direção à junção Os elétrons fornecido pelo terminal da fonte viajam através da região n como elétrons livres Eles se recombinam na junção e viajam na região p como elétrons de valência, se movendo através das lacunas 37

38 Semicondutores - Polarização Reversa Lacunas Elétrons Livres Comportamento de isolante! Aumento na camada de depleção As lacunas e os elétrons livres se movem na direção oposta à junção A camada de depleção aumenta até o valor da tensão reversa aplicada sobre ele Não há movimento de elétrons e lacunas neste material 38

39 Semicondutores - Corrente de Portadores Minoritários Quando o semicondutor PN está reversamente polarizado ainda há uma pequena quantidade corrente circulando pelo semicondutor 1. Corrente Reversa 2. Corrente de Fuga de Superfície Correntes muito baixas desprezíveis em alguns casos 39

40 Semicondutores - Corrente Reversa Corrente oriunda dos portadores minoritários produzidos termicamente Essa corrente depende apenas da temperatura, não tendo relação com a tensão reversa aplicada A energia térmica provoca o rompimento de algumas ligações covalentes criando elétrons livres e lacunas 40

41 Semicondutores - Corrente de Fuga de Superfície Oriunda das impurezas e imperfeições na estrutura do cristal do semicondutor Corrente devida as ligações covalentes quebradas na superfície do cristal 41

42 Semicondutores - Ruptura Existe um limite de tensão reversa suportada pelo diodo Uma vez atingida a tensão de ruptura, um grande número de portadores minoritários aparece repentinamente na camada de depleção fazendo com que o diodo conduza Esses portadores são produzidos pelo efeito avalanche Esse fenômeno destrói o diodo Quando a tensão reversa aumenta, ela fornece mais energia aos portadores minoritários 42

43 Semicondutores - Ruptura Quando essa energia é muito grande esses portadores esses portadores colidem fortemente com o cristal, de forma que pode-se liberar elétrons de valência, formando elétrons livres Esses elétrons se chocam com outros átomos do cristal, em um processo geométrico 1 elétron se choca, formando dois elétrons livres; esses dois se chocam formando 4; e assim sucessivamente 43

44 Exercícios de Fixação 1) Uma junção é? a) A união de uma barra de um semicondutor do tipo P com um semicondutor do tipo N b) A difusão de cargas positivas sobre um semicondutor de germânio. c) Uma barra de um semicondutor dopada diferentemente em dois pontos. d) N.D.A 44

45 Exercícios de Fixação 2) Polarizar diretamente significa: a) Alimentar de modo direto um componente respeitando a polaridade b) Alimentar de modo inverso um componente respeitando a polaridade c) Alimentar um componente polarizado d) N.d.a 45

46 Exercícios de Fixação 3) No semicondutor polarizado diretamente a) A barreira de potencial diminui e a camada de depleção se alarga b) A barreira de potencial diminui e a camada de depleção se estreita c) A barreira de potencial aumenta e a camada de depleção se alarga d) A barreira de potencial aumenta e a camada de depleção se estreita 46

47 Exercícios de Fixação 4) Na Figura abaixo, a corrente: a) Não passa, de forma absoluta b) Circula corrente direta c) Passa somente uma corrente de baixa intensidade d) Passa somente se o fio condutor for de alumínio (Al) 47

48 Exercícios de Fixação 5) Os átomos de Si combinam-se segundo um padrão ligado chamado de: a) Ligação covalente b) Cristal c) Órbita de valência d) Semicondutores 48

49 Exercícios de Fixação 6) A prata é o melhor condutor, quantos elétrons ele possui em sua camada de valência? a) 2 b) 1 c) 4 d) 8 49

50 Exercícios de Fixação 7) Em um semicondutor intrínseco, cada elétron de valência estabelece: a) Um elétron livre b) Uma ligação covalente c) Uma lacuna d) Uma recombinação 50

51 Exercícios de Fixação 8) A fusão de um elétron livre com uma lacuna é chamado de: a) Ligação covalente b) Ligação iônica c) Recombinação d) Estrutura cristalina 51

52 Exercícios de Fixação 9) Na temperatura de zero absoluto (-273 ºC), um semicondutor intrínseco: a) Possui alguns elétrons livres b) Possui poucas lacunas c) Possui muitas lacunas d) Não possui lacunas nem elétrons livres 52

53 Exercícios de Fixação 10) Em que tipo de semicondutor as lacunas são portadores minoritários: a) Semicondutor do tipo P b) Semicondutor do tipo N c) Extrínseco d) Intrínseco 53

54 Exercícios de Fixação 11) Classifique cada um dos semicondutores como tipo N ou P: a) Dopado com átomos receptores b) Cristal com impurezas pentavalentes c) Portadores majoritários são lacunas d) Átomos doadores foram adicionados ao cristal e) Elétrons livres são portadores minoritários 54

55 Exercícios de Fixação 12) Quantas lacunas há em um condutor na temperatura ambiente? a) Muitas b) Nenhuma c) Apenas as produzidas pela energia térmica d) A mesma quantidade de elétrons 55

56 Exercícios de Fixação 13) Quantas fluxos de corrente há em um condutor e semicondutor, respectivamente? a) 2 e 1 b) 1 e 1 c) 1 e 2 d) 2 e 2 56

57 Conclusões Os semicondutores se comportam como resistores (não são bons condutores) Suas características de elétricas podem ser alteradas ao adicionar impurezas O semicondutor mais utilizado na eletrônica é o Si A junção PN: semicondutor formado de um pedaço de semicondutor do tipo P com um pedaço de semicondutor do tipo N O semicondutor do tipo P é formado pela adição de impurezas trivalentes (alumínio, boro, gálio e índio) 57

58 Conclusões Nos semicondutores do tipo P há um excesso de lacunas e estas são os portadores majoritários Nos semicondutores do tipo N há um excesso de elétrons livres e estes são os portadores majoritários A junção PN conduz quando polarizado diretamente Há dois fluxos de corrente em um semicondutor: elétrons livres e lacunas A queda de tensão existente na junção PN quando diretamente polarizada está relacionada com a barreira de potencial 58

59 Conclusões A energia térmica (calor) quebra as ligações covalentes formando elétrons livres e lacunas Idealmente, quando polarizado diretamente a junção PN comporta-se como uma chave fechada Idealmente, quando polarizado reversamente a junção PN comporta-se como uma chave aberta Esse conceito será importante na próxima aula em que abordaremos a teoria dos diodos 59

60 Referências 1. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica - Vol. 1 e 2. 4ª ed. São Paulo: Pearson 2. BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª ed. São Paulo: Pearson. 696 p. 60