Eletrônica Básica e Instrumentação
ELT008
Prof. Vinícius Valamiel
vvalamiel@gmail.com
Transparências: Prof. Tálita S. P. Sono
Prof. Tiago de Sá Ferreira
TEORIA DOS SEMICONDUTORES
Características elétricas dos materiais
Considera-se como característica dos materiais a
propriedade destes em conduzir a corrente elétrica com
maior (ou menor) facilidade.
Relacionado à sua resistividade:
RESISTIVIDADE - CONDUTIVIDADE
Sendo assim existem três tipos diferentes de materiais:
Condutores;
Isolantes; e
Características elétricas dos materiais
Considera-se como característica dos materiais a
propriedade destes em conduzir a corrente elétrica com
maior (ou menor) facilidade.
Relacionado à sua resistividade:
RESISTIVIDADE - CONDUTIVIDADE
Sendo assim existem três tipos diferentes de materiais:
Condutores;
Isolantes; e
Características elétricas dos materiais
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 2 - Teoria dos semicondutores 5
Material condutor
• é qualquer material que
sustenta um grande fluxo de
carga
ao se aplicar uma fonte de tensão de amplitude
limitada através de seus terminais.
Material isolante
• é qualquer material que
oferece um nível muito baixo
de condutividade
quando submetido a uma fonte de
tensão.
Material semicondutor
• possui um nível de
condutividade entre os extremos de
um isolante e de um condutor
.
Coeficiente de Resistividade
A
I
V
+
-L
Material
Classificação
Resistividade (
r
)
Cobre
Condutor
10
-6
[
W
.cm]
Mica
Isolante
10
12[
W
.cm]
Silício (Si)
Semicondutor
50·10
3[
W
.cm]
V = R·I
(a condutividade está
relacionada com a resistência de um
material)
resistividade
O
coeficiente térmico da resistividade
de um semicondutor
é negativo
(T, ρ )
A
L
R
r
Existe uma grande variedade de materiais semicondutores:
Silício – Si;
Germânio – Ge;
Arseneto de Gálio – GaAs, etc.
Caraterística comum:
Tetravalentes - Possuem 4
elétrons na última camada
Semicondutores
ELT008 - Eletrônica Básica e Instrumentação Aula 2 - Teoria dos semicondutores 8
Semicondutores
20 a 30% da crosta terrestre;
Fácil de fabricar com grande pureza.
Um maior foco será dado ao silício, porém, todos os aspectos qualitativos
mencionados podem ser estendidos a qualquer outro material semicondutor.
Qual o material semicondutor mais utilizado
na fabricação de dispositivos eletrônicos?
O Silício
NúcleoÁtomo Isolado de Si
Modelo de Bohr
Órbita de valência
Mais importante
DETERMINA AS PROPRIEDADES
QUÍMICAS E ELÉTRICAS DO
MATERIAL
Estrutura é
eletricamente neutra
14 e
-
= 14p
O átomo de Si é
tetravalente
(possui 4e
-
na órbita
O Silício
Os elétrons da órbita de valência podem ser liberados através do
fornecimento de energia (por exemplo calor e luz)
Quanto maior a órbita do elétron maior será sua energia potencial
(em relação ao núcleo)
Os átomos tendem buscar a estabilidade
química completando todos os seus níveis
de energia.
No caso do silício, são necessários
mais 4 elétrons.
O Silício
NúcleoLigação
Covalente
Órbita de
Valência
Os quatro elétrons que faltam são conseguidos através do compartilhamento dos
elétrons da última camada de outros átomos. Este tipo de ligação é conhecida como
LIGAÇÃO COVALENTE
.
Em um cristal puro os 4 elétrons de
valência estão ligados a 4 átomos
O Silício
Quando os átomos do Si se combinam para formar um sólido, eles
são arranjados periodicamente segundo um padrão ordenado
chamado cristal.
O cristal de Si tem estrutura de
diamante tridimensional
As impurezas
Durante o processo de fabricação, os materiais
semicondutores são cuidadosamente refinados para se
obter a redução de impurezas a um nível muito baixo.
Esses semicondutores puros são conhecidos como
MATERIAIS INTRÍNSECOS.
A obtenção de semicondutores intrínsecos pode apresentar
um
grau de pureza de 1:10
10
1:10.000.000.000
O silício intrínseco
Silício intrínseco
O cristal de silício é
eletricamente neutro
Semicondutores
Os semicondutores tem suas características elétricas
modificadas em função da:
Dopagem
;
Temperatura;
e
Luz
(dispositivos especializados – sensores por exemplo);
Gerando os portadores livres – sensíveis a campos elétricos
Atualmente, os semicondutores são amplamente utilizados
para a fabricação dos dispositivos de estado sólido (diodos,
transistores, etc);
Como um material semicondutor pode se
comportar como isolante e condutor?
Níveis de energia
A energia total de um elétron pode ser identificada pela
camada na qual ele orbita.
Núcleo
Cada raio possui um nível
de energia equivalente
Níveis de energia
Os elétrons apresentam níveis discretos de energia ocupando somente
órbitas bem definidas em relação ao núcleo, existindo um
“gap” (região
proibida) entre as órbitas
A energia ΔE para o elétron ir
da órbita inferior para a órbita
superior deve ser maior ou
igual ao GAP
A energia ΔE fornecida pode
ser na forma de calor ou luz
Para voltar a órbita anterior, o
elétron deve liberar a energia
ΔE armazenada (liberação na
forma de calor ou luz)
Níveis de energia para os materiais
Níveis de energia para os semicondutores
O calor (energia térmica ≥ GAP à ≈
25ºC = temperatura ambiente)
rompe algumas ligações covalentes
gerando portadores livres.
Os elétrons adquirem energia
suficiente para sair da banda de
valência, atravessar o GAP de
energia e entrar na banda de
condução (para o silício intrínseco ≈
1,5·10
10portadores/cm
3);
Níveis de energia para os semicondutores
No espaço deixado pelo elétron
surge uma
LACUNA
;
Quanto menor Eg maior o número de
portadores livres.
Níveis de energia para os semicondutores
No espaço deixado pelo elétron
surge uma
LACUNA
;
Quanto menor Eg maior o número de
portadores livres.
LIVRE
O termo “livre” revela que o movimento
do elétron é bastante sensível a campos
elétricos aplicados como os
estabelecidos pelas fontes de tensão ou
qualquer diferença de potencial.
Geração térmica de pares elétron-lacuna
O reestabelecimento da ligação
covalente (elétron “encontra” a
lacuna) recebe o nome de
recombinação
Elétron deve perder energia (calor ou luz);
Para uma temperatura ambiente
constante existe um equilíbrio
Geração de pares elétrons-lacunas é igual
a quantidade de recombinações
Pergunta é?
Como um material semicondutor pode se
comportar como isolante e condutor?
Desfazer o equilíbrio entre a geração
de pares elétrons-lacunas e a
quantidade de recombinações
Como?
DOPAGENS E MATERIAIS
EXTRÍNSECOS
Materiais Extrínsecos do tipo N e P
As características dos materiais semicondutores podem ser
consideravelmente alteradas pela adição de determinados átomos de
impurezas no material semicondutor puro;
Um material semicondutor submetido ao processo de dopagem é
chamado de material extrínseco;
Dopagem é a inserção de impurezas no material de forma
controlada;
Há dois materiais extrínsecos imprescindíveis para a fabricação de um
dispositivo semicondutor:
Material do tipo N
Material do tipo P
Material Tipo N
O material do
tipo n
é criado com a
introdução dos elementos de
impureza que tem cinco elétrons
de valência (pentavalente)
como
antimônio, arsênio e fósforo;
As impurezas difundidas com
cinco elétrons de valência são
chamados de
átomos doadores;
As ligações covalentes ainda estão
presentes e o quinto elétron está
Material Tipo N
A dopagem “acrescenta” um nível
discreto de energia (chamado nível
doador) na banda proibida com um
Eg
bem menor do que o material
intrínseco.
O aumento da concentração de elétrons
na banda de condução aumenta a
condutividade do material
Elétrons “livres” devido à impureza
adicionada se estabelecem nesse
nível de energia e têm menos
dificuldade para absorver uma
quantidade suficiente de energia
térmica para mover-se em direção a
banda de condução à temperatura
ambiente.
Banda de Condução
Banda de Valência
0,05 [eV]
1,1 [eV] Nível de Energia dos Doadores
Material Tipo P
O material do
tipo p
é criado com a
introdução dos elementos de
impureza que tem três elétrons de
valência
como boro, gálio e índio;
As impurezas difundidas com três
elétrons
de
valência
são
chamados de
átomos aceitadores
Há um número insuficiente de
elétrons para completar as ligações
covalentes. A lacuna resultante
aceitará rapidamente um elétron
“livre”.
Material Tipo P
A dopagem “acrescenta” um nível
discreto de energia (chamado nível
aceitador) na banda proibida com
um Eg bem menor do que o material
intrínseco.
Material Tipo N – Portadores Majoritários
Banda de ConduçãoBanda de Valência
0,05 [eV]
1,1 [eV] Nível de Energia dos Doadores
Geração Térmica - Pares Elétron-Lacuna
A maioria dos elétrons na banda de
condução surgiu como consequência da
dopagem. As lacunas na banda de
valência foram produzidas pelo
processo de geração térmica.
Os
elétrons
estão em maioria e são
ditos
portadores majoritários
.
As
lacunas
estão em minoria e são
chamadas de
portadores
Material Tipo P – Portadores Majoritários
A maioria das lacunas na banda de
valência surgiu como consequência da
dopagem. Os elétrons na banda de
condução foram produzidas pelo
processo de geração térmica.
Os
elétrons
estão em minoria e são
ditos
portadores minoritários
.
As
lacunas
estão em maioria e são
chamadas de
portadores
majoritários
.
Banda de ConduçãoBanda de Valência
0,05 [eV] 1,1 [eV] Nível de Energia dos Aceitadores
