semi condutores

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Tabela 1: Número máximo de elétrons nas bandas de energia Banda de energia K L M N O P Q

N.o máximo de elétrons 2 8 18 32 32 18 2

Quanto maior a energia do elétron, maior é o raio de sua órbita (Q > P > O >),

Figura 3.2, e mais fracamente ele está ligado ao núcleo.

Figura 3.2 - Níveis de energia de um átomo

Um elétron na sua órbita gira com uma certa velocidade (energia cinética), fazendo com que sobre ele exista uma força centrífuga, Fc. Além disso, o núcleo também exerce sobre este elétron uma força, denominada de força de atração eletrostática Fe. O equilíbrio destas duas forças torna o elétron estável na sua órbita, Figura 3.3.

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Figura 3.3 - Estabilidade de um elétron numa determinada órbita

A última órbita de um átomo é denominada de banda de valência. A valência de um átomo é o número de elétrons da banda de valência. São estes elétrons que farão ligações químicas para completar o número máximo de elétrons da banda de valência, de modo a tornar o átomo estável.

Os elétrons que estão na banda de valência têm mais facilidade para sair do átomo, quando recebem um acréscimo de energia, sob a forma de luz ou calor. Ao receberem este acréscimo de energia, os elétrons tornam-se livres, saem da banda de valência e dirigem-se para a banda de condução, onde sob a ação de um campo elétrico formam a corrente elétrica (I), Figura 3.4.

Figura 3.4 – Banda de valência e banda de condução

Entre as bandas de valência e de condução há uma região onde não é possível existir elétrons, denominada de banda proibida, Figura 3.5. Esta banda proibida define o comportamento elétrico do material. Assim, quanto maior a banda proibida, maior será a quantidade de energia necessária para retirar um elétron da banda de valência e levá-lo para a banda de condução.

Figura 3.5 – Materiais isolantes, condutores e semicondutores

Os materiais semicondutores são sólidos ou líquidos, capazes de mudar com certa facilidade de sua condição de isolante para a de condutor. Isto é, podem sofrer grandes alterações em sua condutividade, pois a quantidade de energia necessária para retirar um

@2005 Golberi de Salvador Ferreira, Dr. 8 elétron da banda de valência e levá-lo para a banda de condução é intermediária entre a energia necessária para o isolante e o condutor. Em baixas temperaturas, os semicondutores puros comportam-se como isolantes. Sob temperaturas mais altas, ou luz ou com a adição de impurezas, porém, pode ser aumentada drasticamente a sua condutividade, podendo-se alcançar níveis que se aproximam dos metais.

Na Figura 3.6, apresenta-se os átomos de dois materiais semicondutores intrínsecos ou puros, o silício (Si) e o germânio (Ge). Os semicondutores intrínsecos ou puros são aqueles encontrados em estado natural.

Figura 3.6 - Átomos de silício e germânio

Tanto o silício quanto o germânio são elementos tetravalentes, ou seja, que possuem quatro elétrons na camada de valência, Figura 3.7. Permitindo, assim, que os seus átomos façam quatro ligações covalentes ou de compartilhamento de elétrons, para tornarem-se estáveis.

Figura 3.7 - Representação plana dos semicondutores

Existem, ainda, os semicondutores I-V que são formados por um elemento trivalente, o GaAs (Arseneto de Gálio) e por um elemento pentavalente, InP (Fosfeto de Índio). Porém, o material semicondutor intrínseco mais utilizado é o silício que é abundante na natureza, sendo encontrado nos cristais de quartzo (areia).

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Num determinado instante quando recebe um acréscimo de energia e sai da banda de valência, o elétron livre deixa em seu lugar uma lacuna. Esta lacuna é um íon positivo, Figura 3.8.

Figura 3.8 - Formação de um íon positivo

No instante seguinte, Figura 3.9, verifica-se que a lacuna também se move. Porém, a movimentação da lacuna ocorre sempre no sentido contrário à movimentação do elétron. Este fenômeno ocorre sempre que existe a condução elétrica no material semicondutor. Num material condutor o movimento das lacunas é desprezível.

Figura 3.9 - Movimento da lacuna

Para a maioria das aplicações não há elétrons livres suficientes num semicondutor intrínseco para produzir uma corrente elétrica utilizável. Portanto, para obter-se esta corrente elétrica utilizável foram criados os semicondutores do tipo N e P.

Consegue-se um semicondutor tipo N acrescentando-se ao cristal silício puro impurezas, ou elementos, pentavalentes. Desta forma, obtém-se quatro ligações covalentes e um elétron livre, Figura 3.10. No semicondutor tipo N os elétrons são os portadores de carga majoritários e as lacunas os minoritários.

Figura 3.10 – Semicondutor tipo N: cristal de silício com impureza pentavalente

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Para obter-se um semicondutor tipo P, acrescenta-se ao cristal de silício puro impurezas trivalentes. Assim, têm-se três ligações covalentes e uma lacuna, Figura 3.1. Neste caso, as lacunas são os portadores de carga majoritários e os elétrons minoritários.

Figura 3.1 – Semicondutor tipo P: cristal de silício com impureza trivalente

O processo de introduzir átomos de impurezas num cristal de silício, de modo a aumentar tanto o número de elétrons livres quanto de lacunas, chama-se dopagem. Quando um cristal de silício foi dopado, ele passa a ser chamado de semicondutor extrínseco.

1. Qual é a órbita de valência de um átomo e o que é valência? 2. O que é e como é formada a banda de condução de um átomo? 3. O que é banda proibida? 4. O que define o comportamento elétrico dos materiais isolantes, condutores e semicondutores? Justifique. 5. O que são as lacunas e como elas se movimentam num material semicondutor? 6. O que são elementos trivalentes, tetravalentes e pentavalentes? 7. Defina material semicondutor. 8. Como o Silício é transformado em semicondutor tipo N e P? 9. Quais as principais diferenças entre o material semicondutor e o material condutor? 10. Que faz com que os elétrons permaneçam estáveis em órbitas bem determinadas? 1. É correto afirmar que os semicondutores tipo N e P estão, respectivamente, carregados negativamente e positivamente? Por quê?

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4. DIODO SEMICONDUTOR

A união física de um semicondutor tipo P com um semicondutor tipo N forma uma junção PN, Figura 4.1. Esta junção PN recebe o nome de diodo semicondutor.

Figura 4.1 – Diodo semicondutor

Na formação da junção PN ocorre o processo de recombinação, no qual os elétrons do lado N mais próximos à junção migram para o lado P, Figura 4.2. Este processo ocorre até que haja o equilíbrio eletrônico e a estabilidade química, ou seja, quatro ligações covalentes em cada átomo.

Figura 4.2 - Recombinação elétron – lacuna

Durante o processo de recombinação forma-se, próximo à junção, a camada de depleção, Figura 4.3. Nesta camada há a ausência de portadores majoritários.

Figura 4.3 - Camada de depleção

Quando termina o processo de recombinação a camada de depleção fica ionizada, formando a barreira de potencial (Vγ), Figura 4.4. Para o silício Vγ = 0,7V e para o germânio, Vγ = 0,3V.

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Figura 4.4 - Barreira de potencial

Na Figura 4.5 apresenta-se o símbolo elétrico do diodo semicondutor e o componente eletrônico, propriamente dito. No lado P do diodo semicondutor conecta-se um terminal que recebe o nome de ânodo (A). Já no lado N, o terminal é denominado de cátodo (K).

No símbolo elétrico do diodo semicondutor o lado que tem o traço transversal, corresponde ao cátodo. Logo, o outro lado é o ânodo.

Figura 4.5 - Símbolo elétrico do diodo semicondutor

No componente eletrônico o lado que contém o anel cinza, ou prateado, é o cátodo. Consequentemente, o outro lado é o ânodo.

Polarização direta Na polarização direta, Figura 4.6, conecta-se o terminal positivo da fonte de alimentação (VCC) ao ânodo do diodo e o terminal negativo, ao cátodo.

Desde que VCC > Vγ, os elétrons livres do lado N, repelidos pelo terminal negativo de

VCC, atravessam a barreira de potencial e migram para o lado P. Alguns destes elétrons livres recombinam-se com as lacunas, mas a maioria é atraída pelo terminal positivo de VCC. Estabelece-se, assim, um fluxo de elétrons livres do cátodo para o ânodo, que é o sentido real de corrente. Levando-se em conta o sentido convencional, há uma corrente elétrica (ID) do ânodo para o cátodo de alta intensidade.

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