7 -MATERIAIS SEMICONDUTORES

7 -MATERIAIS SEMICONDUTORES 1

Isolantes, Semicondutores e Metais Isolante é um condutor de eletricidade muito pobre; Metal é um excelente condutor de eletricidade; Semicondutor possui condutividade entre os dois extremos acima. 2

Semicondutores O material básico utilizado na construção de dispositivos eletrônicos semicondutores, em estado natural,nãoéumbomcondutor,nemumbomisolante. 3

Silício e o Germânio O silício e o germânio são muito utilizados na construção de dispositivos eletrônicos. O silício e o mais utilizado, devido as suas características serem melhores em comparação ao germânio e também por ser mais abundante na face da terra. 4

Temperatura, Luz e Impurezas Em comparação com os metais e os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas. 5

MODELOS ATÔMICOS DE BOHR O átomo - é constituído por partículas elementares, as mais importantes para o nosso estudo são os elétrons, os prótons e os nêutrons. Camada de Valência - A última camada eletrônica (nível energético) é chamada camada de valência. O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência. 6

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Camada de Valência O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência. O potencial necessário para tornar livre qualquer um dos elétrons de valência é menor que o necessário para remover qualquer outro da estrutura. Os elétrons de valência podem absorver energia externa suficiente para se tornarem elétrons livres. 8

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Corrente em Semicondutores Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quanto lacunas contribuem para o fluxo de corrente. Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado: movem-se na banda de condução. Elétrons na banda de valência: movem-se ocupando posições disponíveis no reticulado, preenchendo os vazios deixados pelos elétrons livres - Condução de lacunas migrando ao longo do material no sentido oposto ao movimento do elétron livre. 10

MATERIAIS EXTRÍNSECOS Dopagem - A adição de certos átomos estranhos aos átomos de silício ou germânio, chamados de átomos de impurezas, pode alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma suficiente mudar as propriedades elétricas dos materiais intrínsecos. Material extrínseco - Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem por impurezas é chamado de material extrínseco. Essesmateriaissãochamadosde:tipoNetipoP. 11

MATERIAL DOPADO TIPO N Um método de dopagem consiste na utilização de elementos contendo 5 elétrons na camada de valência (penta-valente), como o antimônio, arsênio e fósforo. O quinto elétron, porém, fica desassociado de qualquer ligação. Esse elétron pode tornar-se livre mais facilmente que qualquer outro, podendo nessas condições vagar pelo cristal. O material tipo N resultante, é eletricamente neutro. 12

MATERIAL DOPADO TIPO P O material tipo P é formado pela dopagem do semicondutor intrínseco por átomos trivalentes como o boro, gálio e índio. Há agora um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. A falta dessa ligação é chamada de lacuna ou(buraco). Comoumalacuna podeser preenchida por umelétron, as impurezas trivalentes acrescentadas ao silício ou germânio intrínseco, são chamados de átomos aceitadores ou receptores. O material tipo P resultante é eletricamente neutro. 13

Semicondutores dopados ou extrínsecos Impurezas penta-valentes: antimônio, arsênico, fósforo produzem semicondutores do tipo-n, por contribuírem com elétrons extras(impurezas doadoras). Impurezas trivalentes: boro, alumínio, gálio produzem semicondutores do tipo-p, por produzirem lacunas ou deficiência de elétrons(impurezas aceitadoras). N P 14

Estrutura de bandas de energia Banda de condução Banda proibida Elétrons livres Banda de condução Banda de Valência Lacunas Banda de Valência isolante semicondutor condutor 15

Bandas de Energia 16

Dopagem 17

Junção 18

Polarização Direta 19

Polarização Reversa - Indireta 20

Propriedades de transporte de carga Geração, recombinação e tempos de vida de portadores Recombinação indireta Recombinação direta Processos de recombinação de portadores em semicondutores. - Transições com libertação de energia pelo processo Auger (possível em todos os semicondutores) - Transições diretas com emissão de radiação (possível nos semic. de hiato direto) - Transições por armadilhamento no hiato (possível em todos os 21 semicondutores)

Em semicondutores de hiato direto, a taxa de recombinação (R e ) é: R ec é o coeficiente de recombinação (depende do material e está relacionado com a probabilidade de recombinação direta elétronburaco) O excesso de portadores de um tipo leva à diminuição da população de portadores do outro tipo, pelo processo de recombinação. 22

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Em semicondutores de hiato direto, o tempo de vida dos portadores minoritários depende essencialmente da concentração de dopante. 24

Em semicondutores de hiato indireto, a recombinação direta interbandas é muito menos provável, uma vez que é necessário que no instante da transição exista a participação de um fonão que permita ao portador mudar o seu momento linear. Por isso o coeficiente de recombinação tem os seguintes valores típicos: R ec ~10-10 cm 3 /sparasemicondutoresdehiatodireto R ec ~10-15 cm 3 /sparasemicondutoresdehiatoindireto Um fônon ou fonão, na física da matéria condensada, é uma quase-partícula que designa um quantumde vibração em um retículo cristalino rígido. 25

Nos semicondutores de hiato indireto o processo mais provável é a captura inicial de um dos portadores numa armadilha eletrônica, seguindo-se a captura do outro portador. 26

Em semicondutores de hiato indireto, o tempo de vida dos portadores minoritários depende da concentração de estadosarmadilha, da sua velocidade térmica e da sua seção eficaz de captura 27

Difusão de portadores Perante um desequilíbrio espacial na concentração de portadores, a 2ª Lei de Fick, enuncia que: Este fluxo de portadores por difusão dá origem a uma corrente elétrica de densidade: Para elétrons: Para buracos: 28

Emissão termiônica 29

Emissão termiônica A emissão termiônica é portanto uma corrente de portadores maioritários. 30

Emissão termiônica 31

Emissão termiônica A corrente termiônica obedece à expressão: Onde A* é a constante efetiva de Richardson: Os díodos MIS e os díodos de Schottky são baseados no efeito de emissão termiônica 32

Efeito de tunelamento Baseia-se em fenômenos da mecânica quântica. Elétrons com energia menor que a barreira, têm uma probabilidade não nula de a poderem atravessar, T t : 33

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Efeito de carga espacial Num semicondutor, a densidade líquida de carga, ρ, em cada ponto é dada pelas contribuições dos portadores e dos íons da rede: Se a distribuição espacial da carga não for equilibrada, esta gera um campo elétrico interno. Este campo vai condicionar a corrente no interior do semicondutor. Em equilíbrio, n = N D+ e p = N A- e portanto ρ = 0. O desequilíbrio de carga pode ser gerado pela injeção de portadores nos extremos da amostra. 35

Efeito de carga espacial Uma injeção intensa de portadores nos extremos da amostra causa um desequilíbrio na distribuição de cargas. Esse desequilíbrio causa o aparecimento de um campo elétrico interno que se opõe ao campo externo(aplicado). 36

Efeito de carga espacial 37

Propriedades de transporte de carga Fonões acústicos e ópticos, transversais e longitudinais Fonões acústicos estão relacionados com a temperatura (unidades quânticas kt), propagam-se à velocidade do som e têm comprimentos de onda dessa ordem de grandeza. Interagem com a matéria, fazendo oscilar localmente todos os átomos na mesma direção. Um fônonou fonão, na física da matéria condensada, é uma quasepartículaque designa um quantumde vibração em um retículo cristalino rígido. 38

Fonões ópticos correspondem à vibração inter-atômica e vibram com frequências elevadas (da ordem das micro-ondas ou mesmo infravermelhos). Interagem com a matéria fazendo oscilar localmente os átomos em direções opostas. Os átomos vizinhos comportam-se como se pertencessem a subredes diferentes, propagando-se a oscilação em cada sub-rede. Fonões transversais são oscilações na direção perpendicular à da propagação. Fonões longitudinais são oscilações na direção da propagação. 39

Propriedades ópticas (resumo) As propriedades ópticas dos semicondutores são caracterizadas pelo índice de refração complexo,. A parte real, vulgarmente designada de índice de refração, está relacionada com as propriedades de transmissão da luz: c = velocidade da luz no vácuo v = velocidade da luz no material 40

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Existem três tipos de transições eletroópticas: - As transições diretas permitidas (a). - As transições diretas proibidas (b). -As transições indiretas permitidas ou proibidas (c). As transições diretas permitidas ocorrem para qualquer valor de k, mas dão-se sem alteração de k. São muito frequentes. As transições diretas proibidas ocorrem para valores de k 0, mas dão-se com alteração de k. O k final inclui o momento (muito pequeno mas não nulo) do fotão absorvido. São muito pouco frequentes. 42

As transições indiretas ocorrem para qualquer valor de k, mas dãose necessariamente com alteração de k. Estas transições são assistidas por fonões, quer por absorção, quer por emissão. O k final inclui a soma ou a diferença do momento do fonão. Por outro lado, E final = E fóton ± E fonão = E g, consoante o fonão seja absorvido ou emitido. As transições indiretas também podem ser permitidas ou proibidas. 43

Nos materiais de hiato direto, a transição entre bandas ocorre quase sempre sem alteração de k,- transições permitidas Se a transição ocorrer em k=0 então só pode ser uma transição permitida. Nos semicondutores de hiato direto as transições são quase exclusivamente do tipo permitido. No caso particular de fótons comhν=e g atransiçãoédotipo permitida. Para estas transições γ = ½ e portanto o coeficiente de absorção de materiais com hiato direto vem: 44

Nos materiais de hiato indireto, a transição entre bandas ocorre sempre com alteração de k e participação de fonões - transições indiretas. A distinção entre transições permitidas e proibidas é semelhante à das transições diretas (o momento do fotão não ser ou ser incluído no momento do elétron, durante a transição). Para as transições permitidas, γ = 2; para as proibidas, γ = 3 Como as transições permitidas são sempre muito mais frequentes, fixemos γ = 2. 45

Temos então duas possiblidades para α: 46

A atenuação de I devido à absorção na espessura d e à reflexão na superfície é: 47

OPERAÇÃO DO DIODO (JUNÇÃO P-N) Dispositivos eletrônicos como transistors, circuitos integrados, chips, etc... usam a combinação de semicondutores extrínsecos tipo p e tipo n. DIODO é um dispositivo que permite a corrente fluir em um sentido e não em outro. É construído juntando um semicondutor tipo n e outro tipo p. 48

JUNÇÃO P-N -Quando uma tensão é aplicada como no esquema abaixo, os dois tipos de cargas se moverão em direção à junção onde se recombinarão. A corrente elétrica irá fluir. -Como no esquema abaixo, a tensão causará o movimento de cargas para longe da junção. A corrente não irá fluir no dispositivo. 49

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Odíododejunçãopn A formação da junção (equações fundamentais) 1- A recombinação é causada pela difusão de portadores 2- A difusão é causada pelo gradiente de concentração de portadores 3 - O campo elétrico emergente tende a separar as cargas impedindo a continuação do processo de recombinação - situação de equilíbrio 55

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O díodo de junção pn A formação da junção (equações fundamentais) Região de depleção ou região de carga espacial Região de Depleção: Não há portadores livres Região de Carga Espacial: Existe um campo elétrico ( ) causado pela distribuição de carga ao longo de χ d Estende-se mais para o lado menos dopado (igualdade do nº de cargas ionizadas) 57

O díodo de junção pn A formação da junção (equações fundamentais) Região de depleção ou região de carga espacial -Equação de Poisson : ρ = densidadede carga (C/cm3) ψ = potencial elétrico (V) ε 0 = constante dielétrica do vácuo (F/cm) ε = constante dielétrica relativa do semicondutor - Equação do Campo Elétrico: Pressupostos da análise: -Os dois semicondutores têm uma concentração de impurezas constante. 58

-A carga elétrica Durante a recombinação: -Cada elétron livre anula-se com um buraco => Q N = Q P 59

-O campo elétrico 60

-O campo elétrico 61

-O potencial 62

A extensão da região de depleção 63

A extensão da região de depleção 64

A extensão da região de depleção 65

Carga por unidade de área 66

Carga por unidade de área 67

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Polarização direta fraca Para pequenas polarizações diretas (V < ~0,7V) Redução da RCE (Região de Carga Espacial) Não há corrente apreciável 70

Polarização direta forte Para polarizações diretas apreciáveis (V> ~0,7V) Há portadores que atravessam a junção em grande quantidade Há corrente -Díodo de junção p/n está em condução 71

Polarização inversa Para polarizações inversas (V < 0V) χ d aumenta de extensão -injeção de minoritários aumenta recombinação (campo elétrico) aumenta de intensidade Os portadores gerados termicamente na RCE são separados e acelerados para lados opostos da junção, originando a corrente de saturação, I SAT. 72

Polarização inversa muito forte (ruptura) Ruptura por instabilidade térmica:(processo de geração térmica) Dá-se apenas em diodos feitos de material semicondutor com hiato pequeno(ex. Ge). DevidoaobaixoE g,n i eportantoi SAT sãorelativamenteelevados. Em polarização inversa, o produto I SAT.V R (potência dissipada) é suficiente para aumentar a temperatura da junção. Oaumentodatemperaturalevaaoaumentoden i eportantodei SAT Esta realimentação positiva leva ao surgimento de uma corrente inversa considerável, acompanhada de um aumento intenso da temperatura: ruptura do diodo. 73

Polarização inversa muito forte(ruptura) Ruptura por efeito de avalanche:(processo de ionização por impacto) Dá-separaamaiorpartedosdiodos. Osportadoreslivresnaregiãodedepleçãoestãosobumcampoelétrico muito forte: entre 2 colisões sucessivas com átomos da rede, adquirem uma energia cinética superior a E g. Nestas condições, ao dar-se a colisão, libertam elétrons das ligações covalentes. Estes portadores provenientes da ionização são acelerados pelo mesmo processo e chocam com outros e-, arrancando-os também das ligações covalentes. Aumento exponencial de e- arrancados: A corrente inversa torna-se muito elevada ruptura do diodo. 74

Ruptura por efeito de avalanche: A ruptura inicia-se quando é atingido na junção um valor crítico de campo elétrico, C: 75

Polarização inversa muito forte(ruptura) Ruptura por efeito de Zener:(processo de efeito de túnel) Dá-separadíodoscomN A en D muitoelevados. ARCEéestreitaeabarreiradepotencialmuitointensa ( grande). Polarização inversa dá aos elétrons energia suficiente para atravessar essa barreira por efeito de túnel. A corrente inversa é controlada pela tensão necessária para que se inicie o processo: Tensão de Zener. 76

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Diodos Exemplos junção pn: retificador;desinal; zener; LED (diodo emissor de luz); fotodiodo. junção n-metal : diodo Schottky 78

Diodo Retificador Característica: Uma corrente fluirá se aplicarmos uma tensão através da junção em um determinado sentido, mas se a tensão for aplicada em sentido oposto, somente uma pequena corrente fluirá(praticamente nula). 79

Diodo Zener Característica: Difere do diodo retificador por poder operar em condução inversa, sem se danificar (respeitados os limites de corrente). Usando, em geral, como regulador de tensão. Observe que em condução reversa temos o ponto em que ocorre a "ruptura" quando então a corrente pode aumentar muito no sentido reverso masatensãonodiodonãovaria. 80

Diodo de Sinal Característica: Exceto pelas características referentes à rapidez com que passa de um estado para outro é idêntico ao diodo retificador. Se o requisito é velocidade na transição de estados, opta-sepelousododiododesinal. 81

Diodo Emissor de Luz (LED) Característica: Emite luz quando sua junção está diretamente polarizada. Seu invólucro é translúcido, permitindo a observação da luz emitida. É uma fonte de luz monocromática, emitindo luz na faixa do infravermelho (não visível), ou na faixa do espectro visível (vermelho, laranja, amarelo, verde, azul). A tensão da barreira de depleção é de aproximadamente 2V. A corrente para a emissão de luz em intensidade adequada à visualização, se situa em torno de 10 a 15mA. 82

Exemplo UmLEDéconstituídoapartirdeumajunçãop-nbaseada num material semicondutor cuja lacuna de energia é 1,9eV.Qualéocomprimentodeondaemitido?Emque região do espectro eletromagnético este LED emite? 83

Fotodiodo Característica: Tem sua corrente ampliada em polarização inversa, quando incide luz em sua junção. Seu uso se dá, em geral, em conjunto com o LED formando um par receptor-emissor de luz. Se caracterizam tanto pela sua sensibilidade como pela velocidade com que respondem às variações da intensidade da luz incidente. Nos computadores são usados, entre outros, para receber as informações deumfeixedelaserqueincidenasuperfíciedeumcd. 84

Transistor Dispositivo controlador de intensidade de corrente, possui três terminais: emissor, base, coletor. O mecanismo pelo qual controla a intensidade de corrente varia, podendo classificá-los como: Transistores Bipolares; Transistores de Efeito de Campo (FET s). 85

Transistores Bipolares A corrente do coletor é controlada, enquanto a corrente da base é o mecanismo controlador. Cada uma das junções do transistor se comporta de forma anteriormente apresentada para diodos de junção. 86

Transistores Bipolares 87

Transistores FET s A intensidade de corrente nos transistores de efeito de campo é controlada por meio de uma tensão. Existem dois tipos de transistores de efeito de campo: JFET : Transistor de efeito de campo de junção; MOSFET: Transistor de efeito de campo metal-óxido semicondutor. MOSFET s base para construção dos circuitos lógicos CMOS. Vantagens: baixa dissipação de potência e comportam mais componentes por unidade de área. 88

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Transistores a evolução... 91

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