Semicondutores - semicondutores texto

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(Parte 1 de 4)

SEMICONDUTORES

CONDUÇÃO NO ESTADO SÓLIDO

RETIFICADORES

Os semicondutores sem qualquer sombra de dúvida revolucionaram a tecnologia dos circuitos eletrônicos, por se tratarem de dispositivos de pequenas dimensões aliadas a uma operação eficiente e confiável.

Os diodos e os transistores bipolares são os dispositivos semicondutores mais conhecidos e utilizados. O transistor foi inventado em 1.948 por J. Bardeen e W. H. Brattain da Bell Telephone Laboratories.

O nome transistor é derivado de transferência de resistência, indicando assim um dispositivo de estado sólido.

Os elementos germânio e silício são os mais utilizados na fabricação de diodos e transistores.

DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES

O semicondutor é um material que possui uma resistência entre um condutor e um isolante. A principal característica de um semicondutor é a sua estrutura atômica, que permite uma condução maior, mediante a adição de impurezas. A adição de elementos de impureza em uma estrutura pura de germânio ou silício denomina-se dopagem.

A finalidade da dopagem é aumentar a quantidade de cargas livres (positivas ou negativas), que podem mover-se mediante uma tensão externa.

Quando o número de elétrons livres (cargas negativas) é aumentado, o semicondutor é do tipo negativo ou tipo N; diminuindo o número de elétrons livres o semicondutor torna-se do tipo P. Desta forma no semicondutor dopado do tipo N prevalecem as cargas negativas, enquanto que no tipo P prevalecem as cargas positivas.

Quando os dois tipos são unidos, o resultado é uma junção PN ou NP.

Uma junção PN é na realidade um diodo semicondutor, que tem como característica principal conduzir corrente em uma única direção.

CARACTERÍSTICAS DO SEMICONDUTOR

As principais características do semicondutor puro (sem dopagem) são:

a) resistência maior do que os condutores metálicos, porém menor do que isolantes;

b) coeficiente negativo, isto é, a resistência diminui com o aumento da temperatura;

c) a valência dos átomos que constituem esses semicondutores é ± 4; isto significa que a última camada desses átomos possui 4 elétrons.

ELÉTRONS E PRÓTONS NO ÁTOMO

Embora existam várias maneiras de agrupamento dos elétrons e prótons em um átomo, existe uma combinação específica que resulta em um arranjo estável do mesmo, isto é, cada tipo de combinação estável de elétrons e prótons determina o tipo de átomo.

Os átomos possuem um núcleo composto por prótons (com carga positiva) e neutrons (sem carga), prevalecendo então no núcleo carga positiva e, elétrons nas órbitas (carga negativa), formando assim um arranjo eletricamente estável por possuírem uma quantidade de prótons no núcleo igual ao número de elétrons nas órbitas. A quantidade de prótons no núcleo e elétrons nas órbitas é denominada número atômico (NA); a quantidade de prótons no núcleo é igual a quantidade de elétrons nas órbitas.

As órbitas são anéis concêntricos ao redor do núcleo nos quais estão os elétrons em um movimento semelhante ao do sistema solar, no qual os planetas giram em torno do sol e em torno de si mesmos. O movimento de rotação de um elétron é denominado spin.

Por exemplo, o átomo de hidrogênio cujo arranjo é mostrado abaixo possui em sua estrutura um elétron e um próton.

O átomo de hidrogênio possui NA (número atômico) igual a 1, isto é, possui apenas um elétron na órbita K e um próton no núcleo.

O núcleo tende a atrair o único elétron enquanto que o elétron tende a vencer a força de atração do núcleo. Como essas forças são mecanicamente balanceadas, o elétron permanece em sua órbita ao redor do núcleo. O próton e o núcleo possuem carga elementar igual (1,6 x 10 -19 C), porém a massa do núcleo é cerca de 1.840 vezes maior do que a massa do elétron.

Os átomos podem ter várias órbitas ou camadas (no máximo sete), nas quais estão distribuídos os elétrons. Estas camadas são identificadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Cada órbita possui um número máximo de elétrons, determinando assim as características do elemento.

A tabela abaixo mostra as órbitas de um átomo e a quantidade máxima de elétrons por órbita.

ÓRBITA OU CAMADA

Nº MÁXIMO DE ELÉTRONS

K

2

L

8

M

8 ou 18

N

8, 18 ou 32

O

8 ou 18

P

8 ou 18

Q

8

É de especial importância a quantidade de elétrons na órbita ou camada mais distante do núcleo. A camada externa1 requer 8 elétrons para a estabilidade do átomo, exceto quando o mesmo possui apenas uma órbita a qual tem no máximo 2 elétrons.

O átomo de carbono, cuja configuração é mostrada abaixo possui 6 elétrons, e portanto NA = 6.

Observa-se que na última camada existem apenas 4 elétrons, a qual pode ter no máximo 8 elétrons, estando portanto incompleta.

Quando vários átomos de carbono são agrupados, tendem a entrar em covalência, compartilhando os elétrons de sua última camada. Desta forma em uma ligação covalente cada átomo de carbono enxerga na última camada 8 elétrons, o que constitui uma configuração estável.

Átomos com 8 elétrons na última camada apresentam uma configuração estável, isto é, não tendem a doar e nem receber elétrons a não ser em condições especiais como calor, luz, campo elétrico, etc.

RESUMINDO:

  1. Átomos estáveis: são átomos com a última camada saturada;

  2. Átomos quimicamente ativo: são átomos que não possuem a última camada saturada;

  3. Elétrons de valência: são os elétrons da última camada ou órbita de um átomo;

  4. Elétrons livres: são os elétrons que participam da corrente eletrônica.

CONDUTORES, ISOLANTES E SEMICONDUTORES

Quando os elétrons podem mover-se facilmente de átomo para átomo em um material, este é denominado condutor. Em geral os metais são bons condutores, sendo a prata o melhor vindo em seguida o cobre.

A estrutura atômica dos condutores permite que os elétrons da última camada movimentem-se facilmente com um mínimo de oposição.

O cobre, cuja estrutura é mostrada abaixo é um excelente condutor, pois possui na última camada apenas 1 elétron, o qual pode movimentar-se com muita facilidade. Em virtude disto, este elétron recebe o nome de elétron livre.

Em geral os bons condutores possuem apenas 1 elétron na última órbita ou camada de valência.

Um material cujos átomos tendem a permanecer em suas camadas de valência são denominados isolantes porque não podem conduzir corrente elétrica com facilidade. No entanto, os isolantes são capazes de armazenar eletricidade melhor do que os condutores.

Materiais como mica, vidro, borracha, papel, etc. são também denominados dielétricos, muito utilizados na fabricação de capacitores. Desta forma, os isolantes são muito úteis quando deseja-se bloquear a passagem de corrente.

O semicondutor é um elemento que conduz menos do que os metais condutores porém muito mais do que os isolantes (carbono, germânio e silício são os semicondutores mais conhecidos).

A tabela a seguir mostra alguns tipos de condutores e semicondutores.

Grupo

Elemento

Símbolo

nº atômico

elétron de valência

Metais condutores, em ordem de condutância

Prata

Cobre

Ouro

Alumínio

Ferro

Ag

Cu

Au

Al

Fe

47

29

79

13

26

+1

+1

+1

+3

+2

Semicondutores

Carbono

Silício

Germânio

C

Si

Ge

6

14

32

±4

±4

±4

Gases ativos

Hidrogênio

Oxigênio

H

O

1

8

±1

-2

Gases inertes

Hélio

Neon

He

Ne

2

10

0

0

ESTRUTURA DO CRISTAL

A figura abaixo ilustra um bloco de silício onde seus átomos estão ligados em covalência de tal forma a formar uma treliça cristalina pura, compartilhando seus elétrons de valência.

Cada átomo de silício dentro da estrutura cristalina enxerga 8 elétrons na camada de valência caracterizando assim uma configuração estável.

A estrutura acima ilustrada recebe o nome de cristal intrínseco pois não possui qualquer tipo de dopagem. Um cristal intrínseco tende a se comportar como um isolante em baixas temperaturas.

CORRENTE INTRÍNSECA

Quando um cristal intrínseco de germânio ou silício não sofre influências externas como luz e calor por exemplo, os elétrons de seus átomos tendem a permanecer em suas órbitas com suas ligações covalentes, pois neste caso não há nenhum meio de romper essas ligações e portanto, não há elétrons livres para estabelecer corrente eletrônica.

Particularmente em baixas temperaturas as ligações covalentes permanecem intactas e o cristal tende a comportar-se como um isolante.

Em temperaturas mais elevadas (como por exemplo uma fonte de calor externa), há energia térmica suficiente para fazer com que o cristal liberte alguns elétrons de suas ligações covalentes, que podem movimentar-se aleatoriamente dentro do cristal.

Ligações covalentes também podem ser quebradas pela ação de um campo elétrico proveniente de uma diferença de potencial.

Quando uma ligação covalente é quebrada fica com deficiência de um elétron e portanto o átomo assume a condição de íon positivo, uma vez que a quantidade de elétrons passa a ser menor do que o número de prótons no núcleo. Isto eqüivale dizer que quando o elétron deixa o átomo este adquire carga positiva.

Para cada elétron que deixa o átomo origina-se uma lacuna, logo, o número de elétrons e lacunas está equilibrado dentro da estrutura atômica de um material semicondutor puro.

A quantidade de elétrons e lacunas que se forma dentro da estrutura do material depende da quantidade de energia aplicada (mais calor, mais ligações covalentes quebradas.

Os elétrons percorrem a estrutura até se alojarem nas lacunas, onde pode deduzir-se que as lacunas percorrem a estrutura de forma análoga aos elétrons, porém em sentido contrário. Neste caso o movimento de elétrons e lacunas recebe o nome de corrente intrínseca.

Portanto, a corrente intrínseca ocorre em virtude da quebra de ligações covalentes em uma estrutura cristalina, proveniente de fontes externas de energia.

A figura a seguir mostra o movimento aleatório da corrente eletrônica em uma estrutura cristalina intrínseca submetida a uma fonte externa de energia.

Na estrutura acima foram quebradas sete ligações covalentes (representadas pelas linhas hachuriadas) de forma que dentro da estrutura existem sete elétrons livres e sete lacunas. As setas representam o movimento dos elétrons que conforme pode-se observar, não tem direção definida.

No entanto, ao aplicar-se nos extremos do cristal uma tensão (p/ex. uma bateria), os elétrons dirigem-se ao polo positivo enquanto que as lacunas movimentam-se em sentido contrário, conforme ilustra a figura abaixo:

Quando a fonte externa de energia sobre a estrutura for removida, as ligações covalentes tendem a restabelecer-se cessando também a corrente.

DOPAGEM DE UM CRISTAL INTRÍNSECO

O processo de dopagem em um cristal intrínseco cria no mesmo cargas livres (elétrons ou lacunas), dependendo do tipo de impureza usada no processo; após a dopagem o cristal intrínseco recebe o nome de cristal extrínseco.

No processo de dopagem são utilizadas impurezas do tipo trivalente e pentavalente; as impurezas trivalentes possuem 3 elétrons de valência e as pentavalentes 5 elétrons de valência.

A figura a seguir ilustra uma forma comum de representar impurezas trivalentes e pentavalentes.

FORMAÇÃO DO CRISTAL N

Quando uma impureza pentavalente é adicionada a um cristal intrínseco de silício, ao se combinarem com os átomos do cristal haverá o excesso do 5º elétron que ficará no seu lugar simplesmente pela força de atração do núcleo do átomo da impureza, isto é, este elétron poderá ser deslocado com facilidade, recebendo então o nome de elétrons livre.

As impurezas pentavalentes criam uma fonte de elétrons livres, sendo portanto, denominadas impurezas doadoras. “N” refere-se ao fato de haver condução no cristal através de elétrons, que possuem carga negativa.

A tabela abaixo mostra alguns tipos de impurezas pentavalentes usadas na fabricação de semicondutores.

Elemento

Símbolo

Nº atômico

Valência

Antimônio

Sb

51

5

Arsênio

As

33

5

Fósforo

P

15

5

Analisando a figura abaixo, deduz-se que o número de elétrons livres é igual ao número de impurezas pentavalentes adicionadas a um cristal intrínseco.

FORMAÇÃO DO CRISTAL P

Quando uma impureza trivalente é adicionada a um cristal intrínseco de silício, ao se combinarem com os átomos do cristal haverá a falta de um elétron para completar os 8 elétrons de valência, isto é, a falta desse elétron eqüivale a uma carga positiva livre. “P” refere-se ao fato de haver condução no cristal através de lacunas, as quais possuem carga positiva.

A tabela a seguir mostra alguns tipos de impurezas trivalentes (denominadas aceitadoras) utilizadas na fabricação de semicondutores.

Elemento

Símbolo

Nº atômico

Valência

Alumínio

Al

13

3

Boro

B

5

3

Gálio

Ga

31

3

Índio

In

49

3

A figura abaixo mostra que o número de lacunas criadas em um cristal intrínseco corresponde a quantidade de impurezas trivalentes adicionadas ao mesmo.

PORTADORES MAJORITÁRIOS E MINORITÁRIOS

Em um cristal dopado os portadores majoritários ocorrem devido a adição de impurezas, enquanto que os portadores minoritários são provenientes da quebra das ligações covalentes, principalmente quando ocorre elevação da temperatura.

TIPO DE

CRISTAL

PORTADORES MAJORITÁRIOS

PORTADORES MINORITÁRIOS

P

lacunas

elétrons

N

elétrons

lacunas

O aumento da temperatura provoca a quebra de mais ligações covalentes, aumentando a quantidade de portadores minoritários cujo fluxo é contrário ao dos portadores majoritários, que neste caso irá interferir no fluxo dos portadores majoritários.

JUNÇÃO PN - DIODO DE JUNÇÃO

Ao se combinar um cristal do tipo P com um cristal do tipo N obtém-se um diodo.

Para entender como é formado um diodo de junção, consideremos os cristais N e P conforme ilustra a figura abaixo:

No átomo aceitador foi adicionado um elétron da união vizinha, formando então um íon negativo. O íon negativo deixa uma lacuna.

Do átomo doador foi retirado o 5º elétron, tornando-o um íon positivo. O elétron retirado é excedente (livre).

Ao se juntar os dois cristais, a primeira impressão é de que os elétrons livres do cristal N tendem a combinar-se com as lacunas do cristal P, porém tal não ocorre.

Quando os elétrons do cristal N tentam atravessar a junção, são repelidos pelos íons negativos (aceitadores) do cristal P; da mesma forma as lacunas do cristal P são repelidas pelos íons positivos (dadores) do cristal N.

Porém, os elétrons e lacunas nas proximidades da junção combinam-se.

Nas proximidades da junção o cristal P adquire uma pequena carga negativa, pois as lacunas combinam-se com os elétrons livres do cristal N; ao mesmo tempo o cristal N adquire nas proximidades da junção uma pequena carga positiva pela perda dos elétrons livres que se combinaram com as lacunas do cristal P.

Forma-se então nas proximidades da junção uma região de transição, também conhecida como região de barreira de potencial. Em inglês é muito utilizada a expressão depletion region (região de depleção).

É conveniente salientar que essa combinação ocorre somente nas proximidades da junção. Elétrons e lacunas mais distantes não se combinam pois sofrem a força de repulsão das cargas positivas na junção do cristal N e das cargas negativas na junção do cristal P, conforme dito anteriormente.

Veja como isso ocorre na ampliação mostrada a seguir.

Para que elétrons e lacunas se combinem é necessário vencer a força de repulsão das cargas opostas dentro da região de transição.

Nas proximidades da junção, ou mais especificamente na região de transição ocorre a difusão dos portadores de um lado para outro da junção (isto pode ocorrer devido a uma energia térmica) e, esse movimento recebe o nome de corrente de difusão.

Isto resulta em uma ddp (diferença de potencial) que pode ser representada por uma pequena bateria imaginária, conforme ilustra a figura a seguir.

Isto significa que uma lacuna do cristal P poderá combinar-se com um elétron do cristal N após vencida essa tensão ou essa barreira de potencial.

A bateria imaginária é usada somente para representar os efeitos internos, uma vez que esse potencial não se pode medir quando o diodo está fora do circuito. Quando o diodo faz parte de um circuito, esse potencial (barreira de potencial) pode ser verificado através de medições indiretas.

Para os diodos de silício essa tensão varia de 0,55V a 0,7V e para os diodos de germânio varia de 0,15 a 0,3V.

Costuma-se adotar os valores típicos de 0,7V para diodos de silício e 0,3V para os diodos de germânio, salvo especificação em contrário.

Desta forma, para que haja a recombinação dos demais portadores é necessário uma tensão externa que vença a barreira de potencial.

É fácil deduzir-se pela figura acima, que as lacunas e os elétrons são impelidos até a junção pelos pólos positivo e negativo da bateria externa respectivamente.

Vencida a barreira de potencial, ocorre a combinação entre lacunas e elétrons.

POLARIZAÇÃO DIRETA DA JUNÇÃO PN (DIODO)

Para produzir um fluxo de corrente através de um diodo, a mesmo deve ser polarizado diretamente, isto é, a barreira de potencial deve ser neutralizada.

Polarizar diretamente um diodo significa tornar o anodo mais positivo do que o catodo, ou seja, aplica-se uma tensão negativa no catodo e uma tensão positiva no anodo, conforme ilustra a figura a seguir.

a) os elétrons livres do cristal N são impelidos à junção pelo polo negativo da bateria;

b) as lacunas do cristal P são impelidos à junção pelo polo positivo da bateria;

c) na junção ocorre então a combinação dos portadores;

d) para cada lacuna do cristal P que se combinar com um elétron do cristal N, um elétron de uma união das proximidades do terminal positivo da bateria deixa o cristal e penetra no polo positivo da bateria, originando uma lacuna que também é impelida à junção;

e) simultaneamente um novo elétron penetra no cristal N através do terminal negativo da bateria e se difunde até a junção; como resultado, a região de transição torna-se significativamente mais estreita;

f) com o aumento da tensão externa é gradualmente vencida a barreira de potencial e a corrente aumenta; uma vez vencida a barreira de potencial a corrente aumenta bruscamente;

g) essa corrente e denominada corrente direta (ID)e seu sentido é do cristal N para o cristal P (sentido real), ou seja, do catodo para o anodo.

Na polarização direta a resistência interna do diodo (junção) assume um valor extremamente baixo e o diodo comporta-se como uma chave eletrônica fechada. A figura a seguir ilustra um diodo diretamente polarizado e seu respectivo circuito equivalente.

Observe que no circuito equivalente foi considerado o sentido convencional para a corrente.

POLARIZAÇÃO REVERSA DA JUNÇÃO PN (DIODO)

A polarização reversa consiste em tornar o anodo mais negativo do que o catodo ou o catodo mais positivo do que o anodo, o que eqüivale a aplicar uma tensão negativa no anodo e uma tensão positiva no catodo.

Na polarização reversa ocorre justamente o contrário da polarização direta.

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