1-MATERIAIS SEMICONDUTORES

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2 1-MATERIAIS SEMICONDUTORES Os semicondutores tem condutividade entre os condutores e isolantes Cristais singulares: Germânio (Ge) Silício (Si) Cristais Compostos: Arseneto de gálio(gaas) Sulfeto de cádmio(cds) Nitreto de gálio(gan) Fosfeto de arseneto de gálio(gaasp). Mais utilizados: Ge, Si e GaAs. Germânio: utilizado nos primeiros componentes, fácil de encontrar, facilidade de refino. Sensível às variações de temperatura. Silício: menor sensibilidade à temperatura. Um dos materiais mais abundantes na natureza. Arseneto de Gálio: velocidade de operação 5x maior que o silício, custo mais elevado.

3 2- LIGAÇÕES COVALENTES Valência Silício e Germânio: 4 elétrons na camada de valência (tetravalentes) Gálio: 3 elétrons na camada de valência (trivalentes). Arsênio: 5 elétrons na camada de valência (pentavalentes). Ligação covalente: elétrons de valência formam um arranjo de ligação com átomos adjacentes compartilhando elétrons: Ligações covalentes Ligação covalente no silício Ligação covalente no AsGa

4 3- MATERIAIS INTRÍNSECOS Elétron livre: elétrons de valência que absorvem energia cinética externa (luz, calor...) quebrando as ligações covalentes. Materiais intrínsecos: material refinado com reduzido número de impurezas. Coeficiente de temperatura negativo: aumento da condutividade com aumento da temperatura. Elétrons de valência absorvem energia térmica suficiente para quebrar ligações covalentes.

5 3- MATERIAIS INTRÍNSECOS Portadores intrínsecos( n i ): número de portadores livres, à temperatura ambiente. Semicondutor Portadores intrínsecos (n i ) cm 3 GaAs 1,7 x 10 6 Si 1,5 x Ge 2,5 x Mobilidade relativa (µ n ): capacidade dos portadores de se moverem por todo o material. Semicondutor Mobilidade relativa (μ n ) cm 2 /V.s Si 1500 Ge 3900 GaAs 8500

6 4- NÍVEIS DE ENERGIA Quanto maior a distância do elétron em relação ao núcleo, maior o seu estado de energia. Energia Gap de energia Gap de energia nível de valência camada mais externa segundo nível de energia núcleo Somente níveis de energia específicos podem existir para os elétrons na estrutura atômica para átomos isolados. Entre os níveis de energia não se admitem portadores (gaps).

7 4- NÍVEIS DE ENERGIA O gap de energia revela elementos úteis para a construção de dispositivos sensíveis à radiações: Fotodetectores sensíveis à luz ou calor Diodos emissores de luz LED Quanto maior o gap, maior a possibilidade de a energia ser liberada Quanto maior o gap, maior a possibilidade de a energia ser liberada sob a forma de luz ou calor.

8 4- NÍVEIS DE ENERGIA Classificação dos materiais níveis de energia Energia Energia Energia Banda de condução Eg> 5eV Banda de valência Eg> 5eV Banda de condução Banda de condução Elétrons livres condução Banda de valência Banda de valência Não alcança o nível de Eg = 0,67eV(Ge) Eg = 1,1eV(Si) Eg = 1,43eV(GaAs) Sobreposição de bandas ISOLANTES SEMICONDUTORES CONDUTORES

9 5- SEMICONDUTORES TIPO E As características de um material semicondutor podem ser alteradas com adição de átomos de impurezas ao material intrínseco. Estas impurezas, adicionadas na proporção de uma parte em 10 milhões, modificam as propriedades elétricas do material. Dopagem:capacidade de alterar as características do material com adição de impurezas. Um material submetido ao processo de dopagem é chamado de extrínseco.

10 5- SEMICONDUTORES TIPO E MATERIAL DO TIPO O semicondutor tipo N é produzido pela adição de átomos pentavalentes ao cristal de silício. Exemplos: arsênio (Ar) e antimônio (Sb). Ao formar ligações covalentes estes átomos ficam com um elétron sobrando, que passa para a banda de condução. Quinto elétron de valência do fósforo Impureza de fósforo (P)

11 5- SEMICONDUTORES TIPO E MATERIAL DO TIPO Impurezas difundidas pentavalentes são chamadas de átomos doadoras. Algumas lacunas continuam a serem produzidos em pequena quantidade pela quebra das ligações covalentes. Se o quinto elétron do átomo doador deixa o átomo de origem, este adquire uma carga líquida positiva. Os elétrons da banda de condução são chamados portadores majoritários e as lacunas, portadores minoritários elétrons livres + lacunas + íon positivo Representação do semicondutor N

12 5- SEMICONDUTORES TIPO E MATERIAL DO TIPO O semicondutor tipo N é produzido pela adição de átomos trivalentes ao cristal de silício. Exemplos:, gálio (Ga), alumínio (Al) Nas ligações covalentes estes átomos ficam com um elétron a menos na banda de valência. Dessa forma aparece uma lacuna em cada átomo trivalente. Lacuna Impureza de boro

13 5- SEMICONDUTORES TIPO E MATERIAL DO TIPO Impurezas difundidas trivalentes são chamadas de átomos aceitadores. Alguns elétrons livres continuam a serem produzidos em pequena quantidade pela quebra das ligações covalentes. Se um elétron livre preencher a lacuna do átomo aceitador, este adquire uma carga líquida negativa. As lacunas são os portadores majoritários e os elétrons portadores minoritários elétrons livres + lacunas - íon negativo Representação do semicondutor P

14 6- CONDUÇÃO ELÉTRICA NOS SEMICONDUTORES Um elétron de valência adquire energia cinética suficiente para quebrar sua ligação covalente ( elétron livre). Será criado uma lacuna na ligação covalente que liberou o elétron. O elétron livre preenche o vazio de uma lacuna existente. Ocorre o deslocamento das lacunas num sentido e dos elétrons no sentido oposto. Elétron deslocado para direita... Lacuna Quebra da Elétron ocupará Existente da ligação covalente a lacuna...lacuna para esquerda íon positivo íon negativo

15 QUESTIONÁRIO 01- Defina com suas próprias palavras o que significam material intrínseco, coeficiente de temperatura positivo e coeficiente de temperatura negativo e ligação covalente. 02- Pesquise e liste três materiais que tenham coeficiente de temperatura positivo e três que tenham coeficiente de temperatura negativo. 03- Explique a diferença entre materiais semicondutores do tipo N e do tipo P. 04- Explique a diferença entre impurezas doadores e aceitadoras. 05- Explique a diferença entre portador majoritário e minoritário. 06- Descreva a formação de íons nos semicondutores N e P. 07- Esboce a estrutura atômica do silício e insira um átomo de arsênio como impureza. Qual o tipo de semicondutor formado? 08- Repita a questão anterior, inserindo agora um átomo de alumínio como impureza. 09- Descreva o fluxo de lacunas versus fluxo de elétrons nos materiais semicondutores.