Materiais Semicondutores

Materiais Semicondutores

(Parte 1 de 5)

UBERABA - MG 2011

Trabalho apresentado à Universidade Uberaba como parte das exigências à conclusão do componente curricular Materiais Elétricos do 4º período/2011 do Curso de Engenharia Elétrica.

Orientador (a): Prof.(ª) Manoel Ferreira

UBERABA - MG 2011

Resumo

Os semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica.

Possuem em sua composição o silício e o germânico, além do gálio, do cádmio, arsênio e telúrio, que formam ligações covalentes semelhantes a dos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse da cerâmica. Possuem propiedades elétricas que são intermediarias entre aquelas apresentadas pelos condutores elétricos e pelos isolantes.

É importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes.

Figura 01 - Bandas de energia10
Figura 02 - Impurezas no material tipo P16
Figura 03 - Demonstração de íons negativos17
Figura 04 - A corrente de buracos17
Figura 05 - A transferência de cargas18
Figura 06 - Formação do elemento N19
Figura 07 - Demonstração dos íons positivos20
Figura 08 - Trajetória de elétron e aparente do íon21

Figuras

Figura 09 - Movimento dos eletrons e das lacunas nos semicondutores 25

correntes (difusão e de deriva)27
Figura 1 - Junção PN com polarização reversa28
Figura 12 - Junção PN com polarização direta29
Figura 13 - Curva tensão e corrente no diodo32
Figura 14 - Sentido de fluxo de corrente no diodo3

Figura 10 - Junção PN em aberto mostrando as duas Figura 15 - Curva de tensão e corrente no diodo 34

Abreviaturas º K – Temperatura Kelvin

P-N – Junção Positivo e Negativo

Sb – antimônio

“holes” – buraco

Ge – Germânio

Si – Silício

Cis – Circuitos integrados C – Corrente Continua.

1. Introdução7
2. Objetivos8
3. Justificativa9
4. Caracterização dos principais materiais semicondutores10
5. Silício1
5.1 Principais características1
5.2 Aplicações12
6. Germânio12
7. Semicondutor Extrínseco13
8. Semicondutor Intrínseco14.
9. Formação dos elementos tipo P e N15
9.1 Formação do material tipo P15
9.2 Formação do elemento tipo N18
10. Conceito de lacuna ou vacância21
1. Mecanismo de condução nos semicondutores2
12. Mobilidade de carga em semicondutores23
13. Portadores majoritários e portadores minoritários23

Sumário 14. Movimento dos elétrons e das lacunas nos semicondutores dopados. 24

16. Junção PN26
16.1 Junção PN com Polarização Reversa27
16.2 Junção PN com Polarização Direta27
17. Aplicações dos Materiais Semicondutores29
18. Dispositivo semicondutor30
19. Diodos31
19.1 Diodos retificadores34
19.2 Diodos de sinais35
19.3 Diodos de comutação35
19.4 Diodos de alta freqüência35
19.5 Diodos estabilizadores de tensão36
20. Conclusão37

15. Difusão 25 21. Referências 38

7 1. Introdução

Esse trabalho destaca os dispositivos semicondutores, que são componentes muito importantes nos circuitos eletrônicos. Basicamente, controlam o fluxo da corrente elétrica, podendo atuar como simples retificadores ou chaves interruptoras; mas o fundamental desses dispositivos e a variação de fluxo de corrente proporcionalmente a pequenos sinais de controle, fornecendo dessa maneira, amplificação. Essa propriedade de controle de condução de corrente explica o grande uso dos materiais semicondutores nos circuitos diversos na eletrônica.

8 2. Objetivos

Através desse trabalho, buscam-se as principais características dos materiais semicondutores. Mostrando a estrutura dos principais elementos silício e germânio, bem como o processo de dopagem dos semicondutores.

O comportamento dos semicondutores eletricamente será mostrado de forma a esclarecer ao leitor o que realmente é a junção PN e como se dão as polarizações desses materiais.

Por fim apresenta-se – a alguns dispositivos semicondutores, e também algumas aplicações desses dispositivos, na área da eletrônica.

9 3. Justificativa

Este trabalho foi desenvolvido como parte de estudo das matérias fundamentais na disciplina Materiais elétricos do 4º período do curso de engenharia elétrica da Universidade de Uberaba.

No desenvolvimento observa-se que para conhecer a fundo as particularidades dos dispositivos semicondutores, é necessário um estudo detalhado desde a estrutura atômica desses materiais até os diversos processos que envolvem a confecção dos mesmos.

Na busca de evidenciar a importância desses materiais, houve um ampla pesquisa para demonstrar de forma objetiva uma síntese, que propicie uma compreensão de como funcionam os materiais semicondutores.

4. Caracterização dos principais materiais semicondutores

Em química sabe-se, que em condições normais, os átomos que possuem 4 elétrons na última camada de valência não são estáveis.

Os semicondutores se enquadram nesse grupo, mas por causa da forma com que agrupam seus átomos (cada átomo fica equidistante e, relação a quatro outros átomos, ou seja, uma estrutura cristalina) eles conseguem alcançar a estabilidade fazendo quatro ligações químicas covalentes, conseguindo 8 elétrons na última camada, e por consequência ficam estáveis quimicamente.

Mas qual são as características dos semicondutores que os tornam tão importantes para a eletrônica?

Os semicondutores formam Bandas de Energia, com as seguintes características:

Figura 01 – Bandas de energia Fonte: Infoescola

São formadas bandas, separadas por Lacunas. A última banda é chamada de

Banda de Condução. Logo abaixo existe a Banda de Valência, e em baixo as outras camadas. Na temperatura 0 K, a banda de condução vai estar totalmente vazia, e a banda de valência totalmente preenchida (Na imagem acima a temperatura está mais elevada).

Quando o material é aquecido, alguns elétrons saem da banda de valência e passam para a banda de condução. Isso somente é possível devido ao ganho de energia no elétron, pois para passar à uma banda superior, deve ter energia o suficiente (representado por ∆E).

Conclusão parcial: Sob temperatura 0 K os semicondutores possuem a camada de valência totalmente preenchida e um ∆E relativamente baixo (entre o ∆E dos condutores e dos isolantes), o que possibilita controlar a condutividade deles variando a temperatura.

5. Silício

muitas vezes confundidas com o silício

O silício (latim: silex, 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 u. 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, perfazendo 25.7% do seu peso. Aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia, normalmente na forma de dióxido de silício ( 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, que são substâncias plásticas .

Pertence ao grupo 14 (4A) da Classificação Periódica dos Elementos.

Apresenta-se na forma amorfa e cristalina; o primeiro na forma de um pó pardo mais reativo que a variante cristalina, que se apresenta na forma octaédrica de coloração azul grisáceo e brilho metálico.

5.1 Principais características

Suas propriedades são intermediárias entre as do carbono e o germânio. Na forma cristalina é muito duro e pouco solúvel, apresentando um brilho metálico e uma coloração grisácea. É um elemento relativamente inerte e resistente à ação da maioria dos ácidos; reage com os halogênios e álcalis. O silício transmite mais de 95% dos comprimentos de onda das radiações infravermelhas.

5.2 Aplicações

variedades de circuitos eletrônicos

É utilizado para a produção de ligas metálicas, na preparação de silicones, na indústria cerâmica e, por ser um material semicondutor muito abundante, tem um interesse muito especial na indústria eletrônica e microeletrônica, como material básico para a produção de chips para transistores, pilhas solares e, em diversas

O silício é um elemento vital em numerosas indústrias. O dióxido de silício, areia e argila são importantes constituintes do concreto armado e azulejos (ladrilhos). . Outros importantes usos do silício são:

• Como material refratário, sendo usado em cerâmicas e esmaltado. • Como elemento de liga em fundições.

(Parte 1 de 5)

Comentários