Materiais Semicondutores

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1 Materiais Semicondutores 1

2 + V - V R.I A I R.L A L Resistividade (W.cm) Material Classificação Resistividade ( ) Cobre Condutor 10-6 [W.cm] Mica Isolante [W.cm] Silício (S i ) Semicondutor [W.cm] 2

3 Principais Razões para o uso de Semicondutores Fabricação com alto grau de pureza; Modificação das características elétricas em função da: dopagem, temperatura e da luz (dispositivos especializados sensores p.ex.); Silício 20 a 30% da crosta terrestre. Focar o estudo no Silício Estender os resultados (qualitativamente) a qualquer material semicondutor. 3

4 Átomo de S i (modelo de Bohr) Núcleo Estrutura Eletricamente Neutra (14e - = 14p) A última órbita é a chamada órbita de valência Órbita de Valência Propriedades Químicas e Elétricas Si é tetravalente (4e - na órbita de valência) 4

5 Níveis Discretos de Energia dos Elétrons (dualidade partícula-onda) E [ev] DE pode ser, por exemplo, calor e luz Recebe DE gap Libera DE = gap 4 a órbita 3 a órbita Valência Gap 2 a órbita 1 a órbita Núcleo 5

6 Ligações Covalentes (a órbita de valência com 8e- estabilidade) Formação do Cristal de Silício (Intrínseco) Ligação Covalente Órbita de Valência O cristal de Silício é eletricamente neutro 6

7 Bandas de Energia O modelo de cargas envolventes para os átomos do cristal de S i é diferente dependendo das suas posições no cristal (S i átomos/cm 3 ). E [ev] 4 a órbita => Banda de Energia Gap Silício Gap = 1,1eV Órbita de Valência => Banda de Valência (BV) 7

8 Temperatura Ambiente (T AMB = 25 0 C) Geração Térmica de Pares Elétron-Lacuna Calor (Energia Térmica Gap) rompe algumas ligações covalentes (S i 1, átomos/cm 3 ); Os elétrons passam da órbita de valência para a 4 a órbita; No espaço deixado surge uma lacuna; Recombinação Quando um elétron retorna da 4 a órbita para a órbita de valência (desaparece a lacuna). Taxa de geração Taxa de recombinação 8

9 Correntes de Elétrons e de Lacunas Na 4 a órbita existem muitos níveis de energia disponíveis e os elétrons estão livres (podem se movimentar, por exemplo, sob a ação de uma diferença de potencial: ddp); 4 a órbita Banda de Condução (BC); Elétrons são modelados como portadores de carga negativos; A corrente de elétrons é simbolizada no sentido contrário do fluxo destes portadores (corrente convencional) 9

10 O movimento da lacuna é no sentido contrário ao do elétron modelada como carga positiva. Movimento da Lacuna Movimento do Elétron 10

11 Observações Adicionais A temperatura de zero absoluto (-273,15 0 C) o semicondutor comporta-se como um isolante; O coeficiente térmico da resistividade de um semicondutor é negativo (T, ); A mobilidade dos elétrons é maior que a mobilidade das lacunas ( 2 a 3 vezes); A obtenção de semicondutores intrínsecos pode apresentar um grau de pureza de 1:

12 Característica Bipolar dos Semicondutores I TOTAL = I N + I P = I elétrons + I lacunas ddp [V] - Cristal de Silício (Intrínseco) elétrons lacunas BC BV + corrente de elétrons (I N ) corrente de lacunas (I P ) 12

13 Semicondutores Extrínsecos Modificação das características elétricas de um Semicondutor Intrínseco através do Processo de Dopagem; Dopagem Inserção de impurezas de forma controlada (p. ex. grau de dopagem 1:10 7 ); Aumentar a concentração de elétrons na BC através do uso de dopantes pentavalentes (átomos doadores: A N, A S ou P) Cristal N; Aumentar a concentração de lacunas na BV através do uso de dopantes trivalentes (átomos aceitadores: G A, I N ou B) Cristal P. 13

14 Cristal N Portadores Majoritários Elétrons Portadores Minoritários Lacunas Banda de Condução 0,05 [ev] 1,1 [ev] Nível de Energia dos Doadores Geração Térmica - Pares Elétron-Lacuna Banda de Valência 14

15 Cristal P Portadores Majoritários Lacunas Portadores Minoritários Elétrons Banda de Condução Geração Térmica - Pares Elétron-Lacuna 1,1 [ev] Nível de Energia dos Aceitadores 0,05 [ev] Banda de Valência 15

16 Observações Considerando-se o nível atômico, átomos doadores e aceitadores são íons positivos e negativos, respectivamente; Macroscopicamente, os cristais N e P são eletricamente neutros; Existem diferentes níveis de dopagem. Cristais dopados levemente recebem o símbolo N - ou P -. Cristais fortemente dopados são simbolizados por N + e P + ; Cristais fortemente dopados podem degenerar tornando-se condutores. 16

17 Junção PN 17

18 Uma das mais importantes estruturas no estudo de dispositivos semicondutores; Consiste de um cristal N e de um cristal P em contato direto. Formação da Região de Depleção Existe um gradiente de concentração entre os cristais P e N; O gradiente força a difusão de portadores majoritários através da junção. 18

19 Junção PN (junção metalúrgica) Cristal P Cristal N Difusão de Elétrons Difusão de Lacunas Ao cruzarem a junção os portadores majoritários deixam atrás de íons (positivos no cristal N e negativos no cristal P). Cada par de íons representa um dipolo elétrico; O campo elétrico associado aos dipolos contraria a difusão dos portadores majoritários. 19

20 Cristal P E [V/m] - + Os dipolos dão origem a: Lacunas Elétrons Região de Depleção (Exaustão, Cargas Espaciais) - + Cristal N W A região de depleção atua como uma barreira à difusão; Barreira de Potencial (V T ) O cristal N é positivo em relação ao cristal P (ou o P é negativo em relação ao N) ; Para o Silício V T 0, C. 20

21 Os Portadores Minoritários e a Condição de Equilíbrio da Junção PN Os portadores minoritários são acelerados na região de depleção (deriva) Elétrons de P para N e Lacunas de N para P; O valor do campo elétrico diminui; Aumenta a difusão de portadores majoritários, aumentando o valor do campo elétrico; Chega-se a um equilíbrio dinâmico pois as correntes decorrentes da deriva e da difusão tendem a se igualar. I DERIVA = I DIFUSÃO 21

22 Observações Importantes O valor de V T depende do tipo de material semicondutor, dos níveis de dopagem e da temperatura; O valor de V T tem um coeficiente térmico negativo -2 [mv/ o C] para o S i ; Não é possível medir V T com um multímetro! (alguns autores fazem V T = V bi, ou seja, Built In Voltage Tensão Embutida); Macroscopicamente, a junção PN permanece eletricamente neutra e em equilíbrio; 22