eletrônica aplicada - elt 1 o semicondutor

eletrônica aplicada - elt 1 o semicondutor

(Parte 1 de 2)

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ELIÉSIO 1

ESCOLA TÉCNICAREZENDE-RAMMEL
NOMETURMA _ ANO _

A eletrônica atual usa como estrutura básica na confecção de seus componentes os elementos semicondutores. Em princípio, estes elementos adquirem uma série de vantagem em relação a seus precursores [válvulas ou tubos a vácuo] no tratamento de sinais: espaços menores, maior resistência mecânica e maior tempo de funcionamento. Ao mesmo tempo, apresentam os inconvenientes de serem mais sensíveis às temperaturas e não atingir, relativamente, potências elevadas.

As grandes maiorias das substâncias sólidas são formadas por moléculas ordenadas em forma cristalinas.

Os átomos que formam os elementos que integram essas moléculas podem ser unidos de três formas:

• Ligação Iônica Æ íons unidos por forças eletrostáticas;

• Ligação Covalente Æ átomos que compartilham pares de elétrons;

• Ligação Metálica Æ átomos que compartilham os elétrons livres entre todos os átomos.

Tomando como base às teorias de Bohr e de Sommerfield sobre a estrutura atômica, verificamos que a distribuição dos elétrons que compõem um átomo é feita em camadas formando diferentes níveis e subníveis em torno do núcleo.

Os átomos até hoje conhecidos apresentam seus elétrons em camadas, tendo um máximo de 7camadas de estabilidade, denominadas: K, L, M, N, O, P e Q.

1 2 3 4 5 6 7
2 8 18 32 32 18 2
K L M N O P Q
KÆ2
LÆ8
MÆ18
NÆ32
OÆ32
PÆ18
QÆ2

Os máximos de elétrons nas respectivas camadas são:

Experimentalmente, constatou-se que, num átomo estável, o máximo de elétrons na camada externa é 8.

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ELIÉSIO 2

BANDA DE ENERGIA Banda saturada [BS]

Formada pelos elétrons que estão mais próximo do núcleo e possuem uma mesma quantidade de energia estando fortemente agrupados

Banda de valência [BV]

Formada pelos elétrons que estão um pouco mais separados do núcleo, formando um outro nível de energia e estão numa situação semilivres.

Banda de condução

Formada pelos elétrons que estão mais afastados do núcleo. Nesta banda os elétrons possuem energia suficiente para moverem-se pelo corpo.

Banda proibida [BP]

Formada pelo espaço entre a banda de valência com a banda de condução e a banda de saturada. Estas bandas são desprovidas de elétrons.

BC
BP
BV
BP
BS

Tomando como base à teoria das bandas de energia e centrando-se nas de valência e condução teremos uma classificação dos materiais quanto à condução de corrente elétrica.

• Condutores

Possuem as bandas de valência e a banda de condução sobreposta, portanto, os elétrons podem mover-se pelo corpo quando submetidos à influência de um campo elétrico de pequena intensidade. Os

BC
BV

• Semicondutores

Há um uma pequena separação entre as bandas de condução e de valência que provoca uma diferença de potencia de aproximadamente 1 eV. Com isto os elétrons conseguem com relativa facilidade passar da banda de valência para a banda de condução. Sua resistividade varia entre 100 e . cm×Ω610

BC
1 eV
BV

• Isolantes

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ELIÉSIO 3

Há uma grande separação entre as bandas fazendo com que os elétrons encontrem uma grande dificuldade para transitar entre as bandas. Somente alterando a estrutura do corpo os elétrons passariam pela banda proibida. Sua resistividade é da ordem 1017 Ω • cm

BC
BP
BV

Nos semicondutores alguns elétrons podem ser promovidos até a banda de condução pela injeção de pequenas quantidades de energia e pode haver a condução elétrica. Por isso, o silício é extensamente usado em dispositivos elétricos que aproveitam as propriedades dos semicondutores.

O silício puro pertence à classe de materiais que se denominam semicondutores intrínsecos.

Nestes materiais, à promoção de um elétron da banda de valência para a de condução cria uma lacuna positiva na banda de valência. O semicondutor é capaz de conduzir carga elétrica porque os elétrons da banda de condução migram numa direção e as lacunas na banda de valência migram na direção oposta. As lacunas “deslocam-se”, pois um elétron de um nível adjacente pode ocupá-lo e cria assim uma “nova” lacuna. Assim as lacunas positivas na banda de valência deslocam-se no sentido oposto ao dos elétrons negativos na banda de condução.

Banda de condução
e− e− e− e− e − e−

Lacuna de energia

banda de valência
Portadores de carga, positivos e negativos num semicondutor intrínseco

Num semicondutor intrínseco, o número de elétrons na banda de condução é inteiramente determinado pelo tamanho da banda proibida e pela temperatura. Quanto menor for a banda proibida, menor a quantidade de energia necessária para promover um número significativo de elétrons. Analogamente, quando a temperatura se eleva, é possível promover um número maior de elétrons para a banda de condução. Os semicondutores extrínsecos são materiais cuja condutividade está controlada pela adição de números pequenos de átomos de diversas espécies de impurezas. Esta adição de impurezas é conhecida como “dopagem” do semicondutor.

Por exemplo, imaginemos que se substituam alguns átomos de silício [4 elétrons na camada de valência], no cristal puro de silício, por átomos de alumínio [3 elétrons na camada de valência]. O alumínio só tem três elétrons de valência enquanto o silício tem quatro; então, pelo menos uma ligação

[Al ⎯ Si], por átomo de alumínio adicionado, tem deficiência de elétrons. Pela teoria das bandas, verifica-se que o nível de energia associado a cada ligação [Al ⎯ Si] não está na banda de valência do silício, mas forma um nível discreto, logo acima desta banda. Este nível é um nível aceitador, pois pode

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ELIÉSIO 4 receber elétron. A banda proibida entre a banda de valência e o nível aceitador é, usualmente, bastante pequena, e os elétrons podem ser promovidos com facilidade da banda de valência para o nível aceitador.As lacunas positivas que ficam na banda de valência podem se mover sob a influência de um campo elétrico externo, e o semicondutor dopado pelo alumínio é um semicondutor do tipo P, pois os condutores de carga elétrica são positivos.

Observação:

O semicondutor tipo P é um material eletricamente neutro, já que temos o número de prótons e elétrons na estrutura iguais. Porém, possuem portadores de carga positiva [lacuna] na sua estrutura.

Suponhamos agora que se juntem átomos de fósforo [5 elétron na camada de valência] ao silício.

O material continua a ser um semicondutor, mas com portadores de carga negativos [elétrons], tornandose um semicondutor tipo N.

Os átomos de fósforo têm um elétron a mais do que o silício. A presença desses átomos na estrutura de silício leva à formação de níveis doadores, ocupados por elétrons, logo abaixo da banda de condução. Os elétrons podem ser promovidos facilmente do nível doador para a banda de condução e serem os portadores de carga [positiva] nesta banda.

Observação:

O semicondutor tipo N é um material eletricamente neutro, já que temos o número de prótons e elétrons na estrutura iguais. Porém, possuem portadores de carga negativa [elétron] na sua estrutura.

banda de condução
adicionando átomo de nova banda proibida
banda proibida elemento trivalente
no silício puro nível aceitador e−
banda de valência
semicondutor intrínseco semicondutor tipo P
banda de conduçãoe−
adicionando átomo de nova banda proibida
banda proibida elemento pentavalente nível doador
no silício puro
banda de valência

semicondutor intrínseco semicondutor tipo N

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ELIÉSIO 5

Na natureza existem vários tipos de materiais semicondutores, porém, os mais utilizados para componentes eletrônicos são o SILÍCIO e o GERMÂNIO.

SILÍCIO (SI) np = ne

Z = 14
1ª órbita = 2 elétrons
2ª órbita = 8 elétrons
4p 3ª órbita = 4 elétrons
[neutro]Z = 32
1ª órbita = 2 elétrons
2ª órbita = 8 elétrons
4p 3ª órbita = 18 elétrons
4ª órbita = 4 elétrons

np = ne

Um átomo de germânio ou de silício possui 4 elétrons na sua órbita de valência

(TETRAVALENTES); porém para se tornarem quimicamente estável precisam de oito elétrons na sua camada mais externa e assim adquirirem a configuração dos gases raros. Para atingir este objetivo os átomos combinam-se entre si através de LIGAÇÕES COVALENTES. Nas ligações covalentes os elétrons fazem parte do orbital de valência dos dois átomos.

Por serem tetravalentes os átomos dos semicondutores podem realizar quatro ligações covalentes com outros quatros átomos que estejam em sua proximidade e adquirem a forma espacial, porém por uma questão de simplicidade e para que se possa compreender melhor as figuras, esses materiais são representados como se tivessem ligações planas.

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ELIÉSIO 6

Em temperatura de ZERO ABSOLUTO (Oº KELVIM OU −273º CENTÍGRADO) a matéria não apresenta vibração térmica e as ligações covalentes ficam intactas, o cristal não possui portadores de carga livre, pois os elétrons de valência estão fortemente presos ao átomo. O cristal comporta-se como um material isolante.

Na temperatura ambiente normal, por exemplo, 25º C, teremos vibração térmica e o conseqüente rompimento de ligações covalentes.

Ao romper uma ligação covalente, temos a formação de um par ELETRON-LACUNA. Como sabemos o ELÉTRON apresenta carga negativa. A LACUNA que representa a ausência do elétron apresenta carga positiva.

BANDA DE ENERGIA A TEMPERATURABANDA DE ENERGIA A TEMPERATURA
DE ZERO ABSOLUTO AMBIENTE
EnergiaEnergia
VAZIA banda de conduçãoelétrons banda de condução
banda de valênciabanda de valência
2ª banda2ª banda
1ª banda1ª banda

É o movimento aleatório dos elétrons e lacunas dentro da estrutura cristalina provocado pela vibração térmica. Devemos notar que o movimento dos elétrons e lacunas é sempre feito em sentidos opostos.

As estruturas cristalinas intrínsecas, na temperatura ambientes terão os portadores de carga negativa (elétrons) e os portadores de carga positiva (lacunas), porém no todo a estrutura cristalina continua neutra. POLARIZAÇÃO DO SEMICONDUTOR INTRÍNSECO

Ao aplicar uma diferença de potencial entre os extremos de um cristal intrínseco teremos um movimento ordenado dos portadores de carga. As lacunas irão se deslocar na direção do lado negativo da fonte e os elétrons irão para o lado positivo da fonte.

elétrons

A corrente de elétrons e lacuna dependerá sempre da temperatura.

Il = Ie

ao número de elétronslacunas
+−+−+−+−+−

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ELIÉSIO 7

Um cristal intrínseco não possui portadores de carga suficiente para a maioria das aplicações.

Para elevar o número dos portadores de carga, o cristal é dopado, sendo acrescentada de forma controlada determinada quantidade de impurezas a sua estrutura cristalina. O cristal dopado passa a ser chamado de semicondutor extrínseco.

Para aumentar o número de lacunas na banda de valência o semicondutor é dopado com substância trivalente (3 elétrons na camada de valência).

Os átomos trivalentes são conhecidos como átomos aceitadores, porque, cada lacuna que ele fornece pode aceitar um elétron durante a recombinação. Como exemplo de impureza aceitadora temos o alumínio, o boro e o gálio.

Depois que for adicionada impureza o cristal passa a ter uma quantidade de lacunas maior que os elétrons.

3p
3 ELÉTRONS DE VALÊNCIA

LACUNA (acrescentada pelo elemento trivalente) NOTA: O semicondutor P é um material neutro.

Ao aplicar uma diferença de potencial entre os extremos de um cristal tipo “P”, teremos um movimento ordenado dos portadores de carga, porém, as lacunas estão em quantidade maior que os elétrons.

A corrente de elétrons dependerá da temperatura e a corrente de lacunas dependerá da temperatura e da dopagem

Il > Ie

No semicondutor P as lacunas são portadores majoritários (em maior número) e os elétrons são portadores minoritários (em menor número).

elétrons
lacunas
+−+++−+++−

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ELIÉSIO 8

Para aumentar o número de elétrons na banda de valência o semicondutor é dopado com substância pentavalente (5 elétrons na camada de valência).

Os átomos pentavalentes são conhecidos como átomos doadores, porque, eles colocam elétrons na banda de condução. Como exemplo de impureza doadora temos o arsênio, o antimônio e o fósforo.

quantidade de lacunas

. Depois que for adicionada impureza, o cristal passa a ter uma quantidade de elétrons maior que a

5p
5 ELÉTRONS DE VALÊNCIA

ELÉTRON (acrescentada pelo elemento pentavalente) NOTA: O semicondutor N é um material neutro.

Ao aplicar uma diferença de potencial entre os extremos de um cristal tipo “N” terá um movimento ordenado dos portadores de carga, porém, os elétrons estão em quantidade maior que as lacunas.

elétrons
lacunas
+−−−+−−−+−
V

A corrente de lacuna dependerá sempre da temperatura e a corrente de elétrons dependerá da temperatura e da dopagem.

Ie>Il

No semicondutor N os elétrons são portadores majoritários (em maior número) e as lacunas são portadores minoritários (em menor número).

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ELIÉSIO 9

Ao construir um cristal com a metade de material P (portador majoritário as lacunas) e a outra metade de material N (portador majoritário elétrons), teremos uma junção PN que é o encontro de dois tipos de materiais.

+ + + + + + + Θ ⊕ − − − − − − − −
anodo + + + + + + + Θ ⊕ − − − − − − − − catodo
+ + + + + + + Θ ⊕ − − − − − − − −
+ + + + + + + Θ ⊕ − − − − − − − −

junção Material P Material N

REGIÃO DE DEPLEÇÃO

Quando um elétron livre sai da região N, sua saída cria um IONPOSITIVO. Este elétron ao se instalar na região P onde antes tinha uma lacuna, cria um IONPOSITIVO criando desta forma uma região com cargas elétricas.

O lado P e o lado N são neutrosÆnp = ne

Na região de depleção temos cargas elétricas: positivas no lado N e negativas no lado P

Região de depleção

As lacunas que se difundem através da junção para dentro da região N rapidamente se recombinam com alguns elétrons majoritários ali presentes e, portanto, desaparecem de cena. Esse processo de recombinação resulta no desaparecimento de alguns elétrons livres do material tipo N. Logo, no lado N, teremos uma região depletada de elétrons com cargas positivas e na região P, teremos uma região depletada de elétrons com cargas negativas.

Esta região de depleção de portadores, ou, simplesmente região de depleção, também chamada de região de carga espacial. Irá criar carga elétrica nos dois lados da junção, que dará origem a um campo elétrico. Este campo elétrico que se estabelecerá através dessa região terá, carga positiva no lado N e carga negativa no lado P.

Após um determinado ponto, a região de depleção age como barreira impedindo a continuação de difusão de elétrons livres através da junção.

A queda de tensão na região de depleção age como uma barreira que tem que ser superada para que as lacunas de difundem pela região N e os elétrons se difundem pe3la região P Esta tensão é característica para o tipo de semicondutor utilizado. A 25º C esta barreira de potencial é de ± 0,7 V para o silício e de ± 0,3 V para o germânio.

CORRENTE DE DERIVA Is E O EQUILÍBRIO

Além do componente da corrente ID devido aos portadores de difusão majoritários, existe também um componente devido aos portadores minoritários através da junção. Especificamente, algumas lacunas geradas termicamente no material N se difundem através desse pela borda da região de depleção. Nessa região as lacunas experimentam o efeito do campo elétrico, o qual faz com que elas passem para o lado P rapidamente. De modo similar alguns elétrons majoritários gerados termicamente no material P se difundem pela borda d região de depleção e são acelerados pelo campo elétrico nessa região para o lado N. Esses dois componentes de corrente [elétrons que se movimentam pela deriva do lado P para o lado N e lacunas que se movimentam pela deriva do lado N para o P] somam-se para formar a corrente de

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