Materiais Elétricos - Lapa - aula 10 2018.ppsx

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Curso Superior de Tecnologia em Instalações Elétricas

Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR

FA

TE

C

S

P

2018

(2)

MATERIAIS ELÉTRICOS

Aula 10

2018

Aula 10

2018

(3)

É senso comum dizer que os materiais chamados

SEMICONDUTORES, foram e são os grandes responsáveis

pelo mundo tecnológico tal como conhecemos hoje.

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• A evolução dos Semicondutores permitiu , entre outras coisas, miniaturizar aparelhos, criar novos e sofisticados equipamentos,

acompanhados de constantes melhoramentos, a incrível expansão dos computadores, das telecomunicações ... porém podemos dizer que os primórdios desta teoria remontam aos Gregos, desde as primeiras observações, lá pelos anos 400 ou 450 AC, das respectivas interações entre o âmbar e pedaços de peles, dando-se as primeiras observações no ramo da eletricidade.

• A evolução dos Semicondutores permitiu , entre outras coisas, miniaturizar aparelhos, criar novos e sofisticados equipamentos,

acompanhados de constantes melhoramentos, a incrível expansão dos computadores, das telecomunicações ... porém podemos dizer que os primórdios desta teoria remontam aos Gregos, desde as primeiras observações, lá pelos anos 400 ou 450 AC, das respectivas interações entre o âmbar e pedaços de peles, dando-se as primeiras observações no ramo da eletricidade.

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• A partir de 1900 surgem teorias fundamentais para o desenvolvimento dos materiais semicondutores.

Com o surgimento da Mecânica Quântica, desenvolvida por Niels

Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger e outros, notavelmente

durante a década de 20, as possibilidades de compreensão do mundo microscópio da matéria, cresceram de forma espetacular, permitindo assim um maior conhecimento das estruturas fundamentais dos materiais semicondutores.

• A partir de 1900 surgem teorias fundamentais para o desenvolvimento dos materiais semicondutores.

Com o surgimento da Mecânica Quântica, desenvolvida por Niels

Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger e outros, notavelmente

durante a década de 20, as possibilidades de compreensão do mundo microscópio da matéria, cresceram de forma espetacular, permitindo assim um maior conhecimento das estruturas fundamentais dos materiais semicondutores.

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• Quando falamos de semicondutores logo nos vem a memória, a criação dos tão famosos, entre o senso comum, transistores .

do inglês : TRANsfer reSISTOR

Considerado por muitos, como a principal invenção do século XX.

• A criação dos transistores é atribuída a John Bardeen, Walter Houser

Brattain e Willian Bradford Shockley, nos laboratórios da Bell

Telephone em dezembro de 1947.

• Quando falamos de semicondutores logo nos vem a memória, a criação dos tão famosos, entre o senso comum, transistores .

do inglês : TRANsfer reSISTOR

Considerado por muitos, como a principal invenção do século XX.

• A criação dos transistores é atribuída a John Bardeen, Walter Houser

Brattain e Willian Bradford Shockley, nos laboratórios da Bell

Telephone em dezembro de 1947. O primeiro transitor, conhecido como transistor de ponto de contato, criado em dezembro de 1947 na Bell Laboratories,USA

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Voltando alguns anos na história, mais precisamente no ano de 1936, a Bell Laboratories, um braço de pesquisa e de desenvolvimento da AT&T (American Telephone and Telegraph Corporation, USA ), decide criar um grupo de pesquisa, especifico para estudar e desenvolver dispositivos semicondutores, com o objetivo de criar o Transistor de Efeito de Campo, FET ( Field

Efect Transistor), que já vinha sendo pesquisado por

J.E.Lilienfeld desde 1930. Parte do documento de patente de um dispositivo controlador de corrente, a efeito de campo. J.E.Lilienfeld 1930

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• Em 1940, já em plena 2ª Guerra Mundial, R. Ohi identifica pela primeira vez, a possibilidade de se ter semicondutores de Silício tipo P e tipo N. No mesmo ano, J.Hall Scaff e Henry A. Theuerer mostram que a

condutividade do silício poderia ser modificada devido a presença de impurezas, ( dopagem ).

A Bell Laboratories recria seu grupo de pesquisa em estado sólido em 1946, persistindo na pesquisa para a invenção do FET, porem, sob a chefia de William Shockley, Bardeen e Brattain descobrem, “por acaso”, o efeito do transistor bipolar, no final de 1947.

(10)

Ainda na década de 1950, foi criado o primeiro dispositivo que continha em um único bloco de silício, um transistor, um capacitor e um

resistor, interconectados através de fios soldados nos contatos,

abrindo caminho, para o desenvolvimento de Circuitos Integrados (CIs).

Ainda na década de 1950, foi criado o primeiro dispositivo que continha em um único bloco de silício, um transistor, um capacitor e um

resistor, interconectados através de fios soldados nos contatos,

abrindo caminho, para o desenvolvimento de Circuitos Integrados (CIs).

Primeiro circuito integrado desenvolvido por Jack S. Kilby, Fairchild,USA Bardeen ,William Shockley e Brattain descobrem, “por acaso”, o efeito do transistor bipolar, no final de 1947. J Hall Scaff Henry Arthur Theuerer

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Primeiro circuito integrado monolítico para fins comerciais Fairchild,1961 , USA

(12)

Portanto neste momento, cabe a pergunta:

O que é um material semicondutor?

• Podemos dizer que um material semicondutor é frequentemente definido como um material elétrico intermediário, entre um material

isolante e um material condutor.

• Estes materiais teriam, na verdade, uma resistividade ( ou uma condutividade ) de valor intermediário entre um material isolante e um material condutor.

Portanto neste momento, cabe a pergunta:

O que é um material semicondutor?

• Podemos dizer que um material semicondutor é frequentemente definido como um material elétrico intermediário, entre um material

isolante e um material condutor.

• Estes materiais teriam, na verdade, uma resistividade ( ou uma condutividade ) de valor intermediário entre um material isolante e um material condutor.

Classificação dos materiais por sua Resistividade Condutores

(metais) Semicondutores Isolantes

64 x 107 6 x 104 Silício Germânio Resistividade em W mm2 _{/ m} 10 10 a 10 26 10-2 a 1 10-2 10-1

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• Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas ( próximas do zero absoluto 0 K ou -273o_{C ), excelentes}

isolantes, ao contrário do comportamento observado nos metais ou nos materiais condutores de uma forma geral ( altissima condutividade )

• Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas ( próximas do zero absoluto 0 K ou -273o_{C ), excelentes}

isolantes, ao contrário do comportamento observado nos metais ou nos materiais condutores de uma forma geral ( altissima condutividade ) Temperatura o K Temperatura o K R es is tiv id ad e W m m 2 /m C on du tiv id ad e S /c m Condutores Semicondutores Semicondutores

(14)

A condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos)

aumenta significativamente com :

• aumento da temperatura :

• incidência de luz,

• presença de cargas elétricas externas

(inserindo dopantes),

• existência de impurezas dentro do próprio material.

A condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos)

aumenta

significativamente com :

• aumento da temperatura :

• incidência de luz,

• presença de cargas elétricas externas

(inserindo dopantes),

• existência de impurezas dentro do próprio material.

Banda de Condução

Banda de Valencia Banda Proibida

0K (-273o_{C )}

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(16)

Classes de semicondutores :

Semicondutores simples ou elementares: Germanio (Ge) e Silicio (Si) Semicondutores Compostos IV: SiC e SiGe (Binarios)

Semicondutores Compostos III-V:

Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP e InSb

Ternarios: GaAsP, AlGaAs Quaternarios: InGaAsP

Semicondutores Compostos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe e CdTe (Binarios)

Semicondutores simples ou elementares: Germanio (Ge) e Silicio (Si)

Semicondutores Compostos IV: SiC e SiGe (Binarios)

Semicondutores Compostos III-V:

Binarios: GaAs, GaP, GaSb, AlAs, AlP, AlSb, InAs, InP e InSb

Ternarios: GaAsP, AlGaAs Quaternarios: InGaAsP

Semicondutores Compostos II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe e CdTe

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• Bandas

de Energia

• A aproximação e a interação de um grande número de

átomos em um cristal faz com que os níveis de energia

dos elétrons externos se transformem num contínuo de

níveis de energia, muito próximos gerando faixas de

energia , chamadas bandas de energia.

• Bandas

de Energia

• A aproximação e a interação de um grande número de

átomos em um cristal faz com que os

níveis de energia

dos elétrons externos

se transformem num

contínuo de

níveis de energia

, muito próximos gerando faixas de

energia , chamadas bandas de energia.

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• É a configuração destas bandas de energia que vai determinar as propriedades eletrônicas do material, comportando-se como um

isolante, semicondutor ou um condutor.

elétron-volt ( eV )

unidade de energia definida como o trabalho realizado ao se mover um elétron através de uma diferença de potencial de 1 volt.

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Banda de Energia Proibida

Material Semicondutor

Banda de Condução (vazia )

Banda de Condução ( parcialmente vazia )

Banda de Valencia _{Banda de Valencia}

(preenchida) _(preenchida) E g = 6 eV E g = 1 eV Material na temperatura 0 K (-273o_C)

Material na temperatura ambiente 300K

Material Semicondutor

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Valores das energias da banda proibida, para

materiais semicondutores simples ou

elementares, na temperatura ambiente (300 K )

Valores das energias da banda proibida, para

materiais semicondutores simples ou

elementares, na temperatura ambiente (300 K )

Elemento Grupo Tabela

Periódica Largura da Banda Proibida ( eV )

Boro ( B) III 1,10 Silício (Si ) IV 1,12 Germânio (Ge) IV 0,66 ~ 0,72 Fósforo (P) V 1,15 Arsênico (As) V 1,20 Enxofre (S) VI 2,50 Selênio (Se) VI 1,70 Telúrio (Te) VI 0,36 Iodo (I) VII 1,35 Gálio (Ga) III 1,09

(21)

• Em um semicondutor a região proibida é estreita, aproximadamente 1eV, de modo que à temperatura ambiente

alguns elétrons são promovidos da banda de valência para a de condução e deixam níveis livres, de modo que, também os

elétrons da banda de valência podem ser promovidos.

Ao passo que em um condutor as bandas de Valência e Condução se superpõem, fazendo com que não haja nenhuma região proibida. Para o caso de um isolante , a banda proibida é muito grande

• Em um semicondutor a região proibida é estreita, aproximadamente 1eV, de modo que à temperatura ambiente alguns elétrons são promovidos da banda de valência para a de condução e deixam níveis livres, de modo que, também os elétrons da banda de valência podem ser promovidos.

Ao passo que em um condutor as bandas de Valência e Condução se superpõem, fazendo com que não haja nenhuma região proibida. Para o caso de um isolante , a banda proibida é muito grande Isolantes Semicondutor es Condutores Banda Proibida Banda de condução Banda de valência Superposição das Bandas E n e rg ia d o s e lé tr o n s E n e rg ia d o s e lé tr o n s Nível de Fermi E_F Banda de condução Banda de valência

(22)

Observação : Nível de Fermi E_F

f(E) Função de probabilidade de Fermi-Dirac

A 0K ( -273oC) nenhum elétron pode estar acima da banda de valencia, uma vez que nenhum elétron tem energia acima do nível de Fermi

Em temperaturas mais altas ( acima de 0K ) alguns elétrons podem já estar na banda de condução, uma vez que sua energia é superior ao Nível de Fermi e assim contribuírem na formação da corrente elétrica.

(k = constante de Boltzman = 8,62 x 10-5 eV/K)

Nível de Fermi E_F_: : maior nível de energia que um elétron deverá superar para poder atingir a banda de condução

(23)

• Até o nível de Fermi, todos os estados estão ocupados(mais baixa energia)

• Acima do nível de Fermi, todos os estados estão vazios. • f(E) função de probabilidade

f(E)= 1 certeza que o estado está ocupado f(E)= 0 certeza que o estado está vazio

• O Nível de Fermi E_F corresponde a um valor de energia metade da largura da Banda Proibida

Para E =E_F o termo

e

(E F-EF)/kT vale

e

0=1 Desta forma :

e

0₌₁ 1 + 1

₂

f (E_F)

f (E_F) f(E_F) =

(24)

1e

4 e

5 e

_{6 e}

_{7 e}

8 e

2 e

3 e

Materiais

semicondutores

simples ou

elementares

(25)

Átomo de Silício (Si) 14 Átomo de Germânio (Ge) 32 Ge 4 elétrons na camada de valência 4 elétrons na camada de valência

Dos materiais semicondutores mais utilizados em aplicações nas diversas áreas da Engenharia Elétrica, o Silício e o Germânio ocupam lugar de destaque, sendo o Silício, o material principal.

Silício

(26)

• Silício: (latim: sílex, pedra dura, inglês: silicon) é um elemento químico de símbolo Si de número atômico 14 (14 prótons e 14 elétrons) com massa atômica igual a 28 uma.

• À temperatura ambiente, o silício encontra-se no estado sólido.

• Foi descoberto por Jöns Jacob Berzelius, em 1823. • O silício é o segundo elemento mais abundante da face da Terra: 25.7% do seu peso é devido ao silício.

• Aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia, normalmente na forma de dióxido de silício SiO2 (também conhecido como sílica) e silicatos (compostos contendo silício, oxigênio e metais).

• O silício é o principal componente do vidro, cimento, cerâmica, da maioria dos componentes semicondutores e dos silicones .

• Silício: (latim: sílex, pedra dura, inglês: silicon) é um elemento químico de símbolo Si de número atômico 14 (14 prótons e 14 elétrons) com massa atômica igual a 28 uma.

• À temperatura ambiente, o silício encontra-se no estado sólido.

• Foi descoberto por Jöns Jacob Berzelius, em 1823. • O silício é o segundo elemento mais abundante da face da Terra: 25.7% do seu peso é devido ao silício.

• Aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia, normalmente na forma de dióxido de silício SiO2 (também conhecido como sílica) e silicatos (compostos contendo silício, oxigênio e metais).

• O silício é o principal componente do vidro, cimento, cerâmica, da maioria dos componentes semicondutores e dos silicones .

Silício

(27)

• Se apresenta na forma amorfa e cristalina, o primeiro na forma de um pó pardo mais reativo que a variante cristalina, que se

apresenta na forma semelhante ao diamante, de coloração cinza azulado e brilho metálico.

• É termicamente mais estável do que o germânio, podendo por isso ser usado a temperaturas ambientes de até 150 ° C,

•

cristal de Silício cristal de

(28)

Átomo de Silício

Silício

Átomo de Silício

Núcleo Massa atômica Número atômico 3º Nível 2º Nível 1º Nível Elétron de valencia Distribuição Eletrônica por níveis de energia Símbolo químico configuração Próton cristal Nêutron

Si

SiSi

(29)

Todos os átomos da rede

adquirem 8 elétrons de valência O átomo adquire 8 elétrons de

valência

(30)

(31)

• Semicondutores Intrínsecos

Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro.

À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (25ºC) já apresenta

propriedades de um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos elétrons de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar um vazio ou uma lacuna), passando a existir alguns elétrons livres no material.

Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro.

À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (25ºC) já apresenta

propriedades de um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos elétrons de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar um vazio ou uma lacuna), passando a existir alguns elétrons livres no material.

Elétron livre

(32)

• Quando um cristal de Silício puro é submetido à temperatura

ambiente (25ºC, por exemplo), a energia térmica provoca o

rompimento de algumas ligações covalentes, fazendo com

que os elétrons que abandonam as ligações rompidas,

passem a se movimentar livremente no interior do cristal,

tornando-se elétrons livres.

• Com a quebra das ligações covalentes pela agitação térmica,

no local onde havia um elétron de valência (e), passa a

existir uma região vazia , com carga positiva +1 ( ), uma vez

que o átomo de Silício era neutro e “ perdeu” um elétron .

• Quando um cristal de Silício puro é submetido à temperatura

ambiente (25ºC, por exemplo), a energia térmica provoca o

rompimento de algumas ligações covalentes, fazendo com

que os elétrons que abandonam as ligações rompidas,

passem a se movimentar livremente no interior do cristal,

tornando-se elétrons livres.

• Com a quebra das ligações covalentes pela agitação térmica,

no local onde havia um elétron de valência (e), passa a

existir uma região vazia , com carga positiva +1 ( ), uma vez

que o átomo de Silício era neutro e “ perdeu” um elétron .

Função da agitação térmica,elétrons da banda de valencia, saltam para a banda de condução,

deixando uma lacuna na banda de valencia

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pppppp

E

Elétron livre

Estrutura cristalina Si Estrutura cristalina Si

lacuna

Quebra da ligação covalente

cristal de Silício puro é submetido à temperatura ambiente

e

• Essa região (positiva) que, em outras palavras, é uma ligação covalente incompleta, recebe o nome de lacuna.

• Em síntese, à medida que a temperatura aumenta, surgem os "portadores livres de carga elétrica" (geração de pares : elétron-

lacuna) no interior do cristal, tornando-o capaz de conduzir corrente elétrica quando submetido a uma diferença de potencial.

• Ou seja, a resistividade dos semicondutores diminui com a

elevação de temperatura, consequentemente ocorre um aumento na condutividade.

• Essa região (positiva) que, em outras palavras, é uma ligação covalente incompleta, recebe o nome de lacuna.

• Em síntese, à medida que a temperatura aumenta, surgem os

"portadores livres de carga elétrica" (geração de pares : elétron- lacuna) no interior do cristal, tornando-o capaz de conduzir corrente elétrica quando submetido a uma diferença de potencial.

• Ou seja, a resistividade dos semicondutores diminui com a

elevação de temperatura, consequentemente ocorre um aumento na condutividade.

(34)

Representação bidimensional da estrutura cristalina do Silício ou Germânio, ou qualquer tetravalente .

a) Cristal a 0 K (-273o_{C). A}

rede cristalina é perfeita _{b) Cristal a uma temperatura T > 0 (-273}oC).

A rede cristalina apresenta imperfeições . Elétrons se liberam da rede cristalina, deixando lacunas

Elétron livre

lacuna

Quebra da ligação covalente

(35)

Os elétrons liberados termicamente, vencem a barreira energética representada pela banda proibida e passam a se localizar na banda de condução. Neste momento, surge na banda de valencia um

“vazio “ no local onde originalmente se encontrava o elétron que se deslocou.

Aparece uma lacuna, com carga elétrica atribuída como (+)

positiva, uma vez que o átomo se desequilibrou eletricamente,

adquirindo uma carga total positiva, com o deslocamento do elétron. Os elétrons liberados termicamente, vencem a barreira energética representada pela banda proibida e passam a se localizar na banda de condução. Neste momento, surge na banda de valencia um

“vazio “ no local onde originalmente se encontrava o elétron que se deslocou.

Aparece uma lacuna, com carga elétrica atribuída como (+) positiva, uma vez que o átomo se desequilibrou eletricamente,

adquirindo uma carga total positiva, com o deslocamento do elétron.

Banda de Condução Banda de Condução Banda Proibida Banda de Valencia Banda de Valencia Movimento de elétrons Elétron (-) Lacuna (+) Banda Proibida

(36)

36

Ação de um campo elétrico externo:Corrente

em Semicondutores Intrínsecos

Ação de um campo elétrico externo:Corrente

em Semicondutores Intrínsecos

• 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.

 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.

 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.

Condução de elétrons Condução de lacunas

(37)

• Para se entender melhor a condução de corrente num semicondutor intrínseco, considere a seguinte analogia :

Considere uma fila de carros numa estrada. Se um espaço aparece na frente da fila, os carros podem avançar por sua vez.

Cada vez que um carro se move para frente, deixa um espaço atrás, no qual o próximo carro pode agora mover-se.

Um observador de cima pode considerar que os carros estão se movendo para a frente ou que o espaço está se movendo para trás.

• • A • B • C • D • E • Etc...

• Para se entender melhor a condução de corrente num semicondutor intrínseco, considere a seguinte analogia :

Considere uma fila de carros numa estrada. Se um espaço aparece na frente da fila, os carros podem avançar por sua vez.

Cada vez que um carro se move para frente, deixa um espaço atrás, no qual o próximo carro pode agora mover-se.

Um observador de cima pode considerar que os carros estão se movendo para a frente ou que o espaço está se movendo para trás.

• • A • B • C • D • E • Etc... 3 1 2 4 5 6 1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3 4 4 4 4

Carros se movendo para frente

espaços se movendo para trás

(38)

Semicondutores intrínsecos devem conter sempre igual

número de elétrons de condução (n) e lacunas (p).

Semicondutores intrínsecos devem conter sempre igual

número de elétrons de condução (n) e lacunas (p).

Banda de condução Banda de valencia Banda proibida

n

: numero de elétrons /m3

p

: numero de lacunas /m3

n

_i : densidade intrínseca de portadores de carga

n .p= n

_i 2 Germânio : n_i = 2 x 1013_{portadores /cm}3 Silício : n_i = 1 x 1010 portadores /cm3 n = p =n_i, n_i é a concentração intrínseca do semicondutor.

(39)

http://www.prof2000.pt/users/lpa

Semicondutores extrínsecos

Há diversas formas de se provocar o aparecimento de portadores de carga :

pares elétron-lacuna livres no interior de um cristal semicondutor, para que a

condução de corrente possa existir.

Um deles é através da energia térmica (ou calor), conforme já discutido.

Outra maneira, consiste em fazer com que um feixe de luz(energia luminosa) incida sobre o material semicondutor.

Nas aplicações práticas, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que o número de elétrons livres seja bem superior ao número de lacunas, ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao número de elétrons livres.

Isto é conseguido tomando-se um cristal semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele, por meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de outros tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas.

Há diversas formas de se provocar o aparecimento de portadores de carga :

pares elétron-lacuna livres no interior de um cristal semicondutor, para que a

condução de corrente possa existir.

Um deles é através da energia térmica (ou calor), conforme já discutido.

Outra maneira, consiste em fazer com que um feixe de luz(energia luminosa) incida sobre o material semicondutor.

Nas aplicações práticas, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que o número de elétrons livres seja bem superior ao número de lacunas, ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao número de elétrons livres.

Isto é conseguido tomando-se um cristal semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele, por meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de outros tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas.

(40)

Dopagem

Quando são adicionadas, por processos especiais, impurezas a um semicondutor puro (intrínseco), este passa a ser um semicondutor

extrínseco.

As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos:

impurezas ou átomos

doadores

impurezas ou átomos

aceitadores ou receptores

P

Átomos doadores têm cinco elétrons de valência (são pentavalentes):

Arsénio (A_S), Fósforo (P) ou Antimónio (S_b).

Átomos aceitadores têm três elétrons de valência (são trivalentes):

Índio (I_n), Gálio (G_a), Boro (B) ou Alumínio (A_l).

P P _S b Ga P B Al

5 elétrons na camada de valencia

(41)

1 e

4 e

5e

6 e

7 e

8 e

2 e

3 e

impurezas dadoras ou atomos doadores Impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores ou receptores

(42)

http://www.prof2000.pt/users/lpa 42

Semicondutor do tipo

N

A adição controlada de átomos

pentavalentes (como o Arsénio As, Fosforo

P, ou Antimonio Sb) num semicondutor puro (intrínseco, de Siliio ou Germanio) faz com que apareçam eletrons livres no seu

interior.

Como esses átomos fornecem (doam) eletrons ao cristal semicondutor eles

recebem o nome de impurezas dadoras ou

átomos doadores. Todo o cristal de Silício

ou Germânio, dopado com impurezas

dadoras é designado por semicondutor do

tipo N (N de negativo, referindo-se à carga

do eletron). ELETRON LIVRE DO ATOMO DE ARSENIO Elétron livre do átomo de Fósforo

(43)

Semicondutor

Tipo N

Impureza doadora fornece um elétron livre Átomo de Antimônio como impureza Elétron livre Num material semicondutor tipo N, os portadores de carga majoritários são os elétrons livres

(44)

http://www.prof2000.pt/users/lpa 44

Semicondutor do tipo P

A adição controlada de átomos

trivalentes (como o Índio In, Gálio Ga

,Boro B ou Aluminio Al ) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam

lacunas livres no seu interior.

Como esses átomos recebem (ou aceitam) elétrons eles são denominados impurezas

aceitadoras ou átomos aceitadores. Todo

o cristal puro de Silício ou Germânio,

dopado com impurezas aceitadoras é

designado por semicondutor do tipo P

(P de positivo, referindo-se à falta da carga

negativa do elétron). Falta de elétron , ou lacuna do átomo de Boro Lacuna livre do átomo de Índio

(45)

B Semicondutor

Tipo P

Átomo de Boro como impureza Impureza receptora cria uma lacuna Lacuna

Portadores majoritários e minoritários

Num material

semicondutor tipo P, os portadores de carga majoritários são as

(46)

Portadores majoritários e minoritários

Num semicondutor extrínseco do tipo N os eletrons estão em maioria designando-se por portadores majoritários da corrente elétrica. As lacunas (que são a ausência de um eletron), por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente elétrica. Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão em maioria designando-se por portadores majoritários da corrente elétrica. Os eletrons, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente elétrica.

Num semicondutor extrínseco do tipo N os eletrons estão em maioria

designando-se por portadores majoritários da corrente elétrica. As

lacunas (que são a ausência de um eletron), por sua vez, estão em

minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente elétrica. Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão em maioria

designando-se por portadores majoritários da corrente elétrica. Os

eletrons, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores

(47)

Movimento dos eletrons e das lacunas nos

semicondutores do tipo N

Num cristal semicondutor tipo N o fluxo de eletrons será muito mais intenso (seta larga) que o fluxo de lacunas (seta estreita) porque o número de eletrons livres (portadores majoritários) é muito maior que o número de lacunas (portadores minoritários).

A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao elétron, porém com carga elétrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o elétron, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga elétrica contrária. Enquanto os elétrons livres se deslocam em direção ao pólo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direção ao pólo negativo.

ElectrõesElétrons Elétrons Electrões

lacunas lacunas

(48)

Movimento dos elétrons e das lacunas nos

semicondutores do tipo P

Num cristal semicondutor tipo P o fluxo de lacunas será muito mais intenso (seta larga) que o fluxo de elétrons (seta estreita) porque o número de lacunas livres (portadores majoritários) é muito maior que o número de elétrons livres (portadores minoritários).

A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao elétron, porém com carga elétrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o eletron, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga elétrica contrária. Enquanto os eletrons livres se deslocam em direção ao pólo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direção ao pólo negativo.

Electrões Electrões

Cristal tipo P Cristal tipo P

lacunas lacunas

(49)

• Todos os dispositivos semicondutores que se conhece

atualmente, tem sua construção e funcionamento

fundamentados na formação de junções metalúrgicas P-N.

• Todos os dispositivos semicondutores que se conhece

atualmente, tem sua construção e funcionamento

fundamentados na formação de junções metalúrgicas P-N.

(50)

• Junção PN

Formação de uma junção metalúrgica P-N.

Inicialmente , por processos especiais dopa-se uma das faces da lâmina de silício intrínseco com dopantes tipo P.

Em seguida dopa-se a outra face da lâmina de silício com dopantes tipo N. Desta forma se obtém a junção PN.

Considere um processo didático de formação de uma junção PN :

Silício intrínseco Silício intrínseco Si Si Si Si

dopagem de uma das faces da lâmina com dopante P

dopagem da outra face da lâmina com dopante N

P

(51)

P

N

+

₊

+

+ +

+

---

--

_{- -}

--

+

-I

_Difusão Junção PN

-+

-elétrons livres lacunas

• Quando uma junção de materiais semicondutores tipo N e tipo P se forma pela primeira vez , existe uma concentração muito grande de portadores de cargas em ambos os lados da junção, de modo que os elétrons livres

dos átomos doadores presentes no material N, começam, através do

processo da difusão, migrar através da junção P-N formada , para preencher as lacunas presentes no material P, produzindo íons positivos, do lado N.

• Quando uma junção de materiais semicondutores tipo N e tipo P se forma pela primeira vez , existe uma concentração muito grande de portadores de cargas em ambos os lados da junção, de modo que os elétrons livres

dos átomos doadores presentes no material N, começam, através do

processo da difusão, migrar através da junção P-N formada , para preencher as lacunas presentes no material P, produzindo íons positivos, do lado N.

(52)

Existe uma concentração muito grande de portadores de cargas em ambos os lados da junção, de modo que os elétrons livres dos

átomos doadores presentes no material N, começam, através do processo da difusão, migrar através da junção P-N formada , para preencher as lacunas presentes no material P, produzindo íons positivos, do lado N.

Existe uma concentração muito grande de portadores de cargas em ambos os lados da junção, de modo que os elétrons livres dos

átomos doadores presentes no material N, começam, através do processo da difusão, migrar através da junção P-N formada , para preencher as lacunas presentes no material P, produzindo íons positivos, do lado N.

P

N

processo de difusão

(53)

Da mesma forma , as lacunas dos átomos receptores presentes no lado P, migram também através da junção PN , para a região N,produzindo íons negativos do lado P

Essa transferência de carga dos elétrons e lacunas

através da junção PN é conhecida como difusão

P

N

junção

Quando as duas regiões são colocadas em contato, devido à diferença de concentração aparece uma corrente, de portadores majoritários : de elétrons indo da região N para a P e de lacunas da região P para a N –> corrente de

difusão I_D

Quando as duas regiões são colocadas em contato, devido à diferença de concentração aparece uma corrente, de portadores majoritários : de elétrons indo da região N para a P e de lacunas da região P para a N –> corrente de

difusão I_D

O material N está “ perdendo “ elétrons e “ ganhando” lacunas e portanto adquire uma carga positiva. O material P está “ perdendo “ lacunas e “ganhando “ elétrons e

portanto adquire uma carga negativa

O material N está “ perdendo “ elétrons e “ ganhando” lacunas e portanto adquire uma carga positiva. O material P está “ perdendo “ lacunas e “ganhando “ elétrons e

(54)

Região de Depleção :

P

N

Região de carga espacial

ou região de depleção

lacunas se difundem na região N e desaparecem (se recombinam), elétrons se difundem na região P e desaparecem (se recombinam).

Assim, ocorrerá a formação de uma região de cargas descobertas próxima a junção e o surgimento de um Campo Elétrico que se opõe à difusão de lacunas na região N e elétrons na região P.

Assim, ocorrerá a formação de uma região de cargas descobertas próxima a junção e o surgimento de um Campo Elétrico que se opõe à difusão de lacunas na região N e elétrons na região P. E0.

(55)

junção

P

N

• O processo de difusão, em ambos os lados, continua até

que as cargas que passam pela junção sejam repelidas

pelos íons que se formam junto a junção : Íons positivos

no lado N , íons negativos no lado P.

• O processo de difusão, em ambos os lados, continua até

que as cargas que passam pela junção sejam repelidas

pelos íons que se formam junto a junção : Íons positivos

no lado N , íons negativos no lado P.

P

N

A situação de equilíbrio ocorre , quando uma barreira

de potencial se forma na junção PN ,com os íons

positivos repelindo as lacunas e o íons negativos

repelindo os elétrons.

A situação de equilíbrio ocorre , quando uma barreira

de potencial se forma na junção PN ,com os íons

positivos repelindo as lacunas e o íons negativos

repelindo os elétrons.

(56)

P

N

+

₊

+

---

--

_{- -}

--

+

Após o equilíbrio, a soma das correntes através da junção é zero isto é, I_Deriva= I_Difusão ( I_Deriva+ I_Difusão = 0 )

I

_Deriva

A corrente de difusão provoca o aparecimento da região de carga espacial sem a presença de portadores de cargas livres, existindo somente íons das impurezas :negativo do lado P e positivo do lado N

A cargas negativas do material P evitam , por repulsão, que outros elétrons atravessem a junção, da mesma forma que as cargas positivas do material N evitam por repulsão , que outras lacunas atravessem a junção.

(57)

Junção PN no Equilíbrio

• A corrente de difusão provoca o aparecimento da região de carga espacial,

sem a presença de cargas livres, existindo somente íons da impureza, negativos do lado P e positivos do lado N.

• Associado às cargas dos dois lados da junção aparece uma tensão chamada de barreira de potencial de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge.

• A corrente de difusão provoca o aparecimento da região de carga espacial,

sem a presença de cargas livres, existindo somente íons da impureza, negativos do lado P e positivos do lado N.

• Associado às cargas dos dois lados da junção aparece uma tensão chamada de barreira de potencial de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge.

No equilíbrio a soma das correntes através da junção é nula: I_s+ I_D=0

I_D= corrente de difusão (portadores majoritários : lacunas no lado P e elétrons)ID= corrente de difusão (portadores majoritários : lacunas no lado P e elétrons)

Is =corrente de deslocamento (portadores minoritários : elétrons livres do lado P lacunas do lado N)

P

_N

Região de carga

(58)

P

N

+

₊

+

---

--

_{- -}

--

+

.

I

_Deriva

Estes íons criam um campo elétrico que por sua vez provoca uma corrente elétrica de portadores minoritários, conhecida como corrente de deriva, ou deslocamento ou drift ( I_S ) de sentido contrário à corrente de difusão.

Quanto maior for a corrente de difusão maior será a corrente de deriva em sentido oposto até que haja um equilíbrio entre elas, ou seja os portadores de carga não conseguem mais atravessar o campo elétrico por difusão.

+

(59)

N P x x V E V_bi E_max. -x_n +x_p • Associado às cargas dos dois

lados da junção aparece, na região de depleção, um campo elétrico ,.

• Esse campo elétrico, cria ,nesta região uma tensão chamada de barreira de potencial , V_{bi ,}de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge.

• Associado às cargas dos dois lados da junção aparece, na região de depleção, um campo elétrico ,.

• Esse campo elétrico, cria ,nesta região uma tensão chamada de barreira de potencial , V_{bi ,}de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge.

Barreira de Potencial

região de depleção campo de barreira (E₀). E₀ barreira de potencial , V_bi região de depleção (E₀). (E₀).

(60)

P

N

+

₊

+

---

--

+

.

+

Largura sem polarização

• Associado às cargas dos dois lados da junção aparece, na região de depleção, um campo elétrico

• Esse campo elétrico, cria ,nesta região uma tensão chamada de barreira de potencial , V_{bi ,}de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge.

• Associado às cargas dos dois lados da junção aparece, na região de depleção, um campo elétrico

• Esse campo elétrico, cria ,nesta região uma tensão chamada de barreira de potencial , V_{bi ,}de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge.

(E₀).

região de depleção ou barreira de potencial

(E₀).

(61)

Quando aplicamos uma polarização direta (positivo no lado P e negativo no lado N) o campo elétrico externo criado na região de depleção é de sentido contrário ao campo interno fazendo com que a barreira de potencial seja reduzida permitindo a passagem de corrente elétrica através da região de

depleção.

Quando aplicamos uma polarização direta (positivo no lado P e negativo no lado N) o campo elétrico externo criado na região de depleção é de sentido contrário ao campo interno fazendo com que a barreira de potencial seja reduzida permitindo a passagem de corrente elétrica através da região de

depleção.

+

-+

+

P

+

N

--

-+

+

--

---

_{- -}

-

-Junção PN polarizada diretamente

PPPP

Largura sem polarização (Wo)

Largura com polarização (W)

(62)

• Polarização direta :

Terminal “+” conectado ao lado P; terminal “-” ao lado N.

•

Os elétrons livres do lado N serão repelidos pelo potencial “-” da tensão aplicada e ao mesmo tempo atraídos pelo potencial “+” aplicado no lado oposto.

• Um comportamento similar ocorre com as lacunas do lado P.

• Esse fluxo de cargas forçará os portadores a se recombinarem com os íons da região de depleção, reduzindo sua largura (W < W0).

• Polarização direta :

Terminal “+” conectado ao lado P; terminal “-” ao lado N.

•

Os elétrons livres do lado N serão repelidos pelo potencial “-” da tensão aplicada e ao mesmo tempo atraídos pelo potencial “+” aplicado no lado oposto.

• Um comportamento similar ocorre com as lacunas do lado P.

• Esse fluxo de cargas forçará os portadores a se recombinarem com os íons da região de depleção, reduzindo sua largura (W < W0).

A redução da região de depleção reduz igualmente a tensão de barreira, aumentando assim a corrente de difusão :

mais elétrons do lado N alcançarão o lado P e mais lacunas do lado P alcançarão o lado N.

A redução da região de depleção reduz igualmente a tensão de barreira, aumentando assim a corrente de difusão :

mais elétrons do lado N alcançarão o lado P e mais lacunas do lado P alcançarão o lado N.

(63)

+

+ +

+

P

N

• Quando aplicarmos uma polarização reversa (positivo no lado N e negativo no lado P) o campo elétrico interno criado na região de depleção é no mesmo sentido do campo externo fazendo com que a barreira de potencial aumente dificultando a passagem de corrente elétrica através da região de depleção.

+

--

-+

+

+ +

+

Junção PN polarizada reversamente

PPPP

Largura sem polarização (Wo) Largura com polarização (W)

(64)

• Polarização Reversa

Terminal “+” conectado ao lado n; terminal “-” ao lado p.

•

Os elétrons-livres do lado n serão atraídos para o potencial positivo

da tensão aplicada.

• Analogamente, as lacunas do lado p serão atraídas para o potencial negativo da tensão aplicada.

• A deriva desses portadores em sentidos opostos tem por efeito o aumento da largura da região de depleção (W > W0).

• Polarização Reversa

Terminal “+” conectado ao lado n; terminal “-” ao lado p.

•

Os elétrons-livres do lado n serão atraídos para o potencial positivo da tensão aplicada.

• Analogamente, as lacunas do lado p serão atraídas para o potencial negativo da tensão aplicada.

• A deriva desses portadores em sentidos opostos tem por efeito o aumento da largura da região de depleção (W > W0).

Mesmo polarizado reversamente, alguns portadores minoritários de cada lado da junção ainda conseguem

atravessar a região de depleção e conduzir uma corrente de baixa intensidade (1mA) (corrente de saturação reversa).

Mesmo polarizado reversamente, alguns portadores minoritários de cada lado da junção ainda conseguem

atravessar a região de depleção e conduzir uma corrente de baixa intensidade (1mA) (corrente de saturação reversa).

(65)

+

-+

+

P

+

N

--

-+

+

--

---

_{- -}

-

-Junção PN polarizada diretamente

PPPP

+

V_bi

A presença da barreira de potencial que é diminuída pela polarização direta , permite a condução de corrente pela região de depleção da junção PN. A junção PN passa a ser condutora de corrente.

(66)

+

+ +

+

P

N

+

--

-+

+

+ +

+

Junção PN polarizada reversamente

PPPP

+

A presença da barreira de potencial que é aumentada pela polarização reversa , não permite a condução de corrente pela região de depleção da junção PN.

Existe apenas a corrente de deriva , de portadores minoritários acelerados pelo campo elétrico da barreira , que se comporta como uma corrente

reversa , com intensidade da ordem de mA.

A presença da barreira de potencial que é aumentada pela polarização reversa , não permite a condução de corrente pela região de depleção da junção PN.

Existe apenas a corrente de deriva , de portadores minoritários acelerados pelo campo elétrico da barreira , que se comporta como uma corrente

reversa , com intensidade da ordem de mA. V_bi

(67)

ppp

_ppp

polarização reversa

pppP

V_bi V_bi V_bi V_bi

Assim, função da polarização, através da aplicação de uma tensão externa, a junção PN se comporta como uma chave aberta , não

permitindo a passagem de corrente ( polarização reversa) ou como uma chave fechada, permitindo a passagem de corrente ( polarização direta )

Assim, função da polarização, através da aplicação de uma tensão externa, a junção PN se comporta como uma chave aberta , não

permitindo a passagem de corrente ( polarização reversa) ou como uma chave fechada, permitindo a passagem de corrente ( polarização direta )

polarização direta

polarização

direta polarização _direta

Chave ideal Chave real Chave real, considerando-se _{a resistência interna}

+

-

+

-

+

(68)

• Diodo de Junção

• Esse comportamento condutor numa junção PN construída a partir de materiais semicondutores dopados é a base do principio de funcionamento de um dispositivo( construído a partir de uma junção PN) , que permitirá que a corrente passe somente num único sentido quando adequadamente polarizado (polarização direta), bloqueando a corrente quando a polaridade da tensão inverter (polarização reversa).

Esses dispositivos , de grandes aplicações em diversos ramos da engenharia elétrica recebem o nome de diodos de junção.

.

• Diodo de Junção

• Esse comportamento condutor numa junção PN construída a partir de materiais semicondutores dopados é a base do principio de funcionamento de um dispositivo( construído a partir de uma junção PN) , que permitirá que a corrente passe somente num único sentido quando adequadamente polarizado (polarização direta), bloqueando a corrente quando a polaridade da tensão inverter (polarização reversa).

Esses dispositivos , de grandes aplicações em diversos ramos da engenharia elétrica recebem o nome de diodos de junção.

.

P N

(69)

Curva característica de um diodo de junção PN,

mostrando as regiões de polarização direta e reversa

(70)

Todos os Componentes

semicondutores, apresentam seu principio de funcionamento

fundamentado em junções P-N Todos os Componentes

semicondutores, apresentam seu principio de funcionamento

(71)

Curso Superior de Tecnologia em Instalações Elétricas

Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR

FA

TE

C

S

P

2016